Miért ragyog a víz egy atomreaktorban?

A tudományos fantasztikus filmekben a nukleáris reaktorok és a nukleáris anyagok mindig világítanak. Míg a filmek speciális effektusokat használnak, addig a fény a tudományos tényeken alapszik. Például a nukleáris reaktorokat körülvevő víz valóban fényes kéken világít! Hogyan működik? Ennek oka a Cherenkov-sugárzás nevű jelenség.

Mi a Cherenkov sugárzás? Alapvetően olyan, mint egy hangzik, kivéve a fény helyett a hangot. A Cherenkov sugárzást úgy kell meghatározni, mint az elektromágneses sugárzás akkor bocsátanak ki, amikor egy töltött részecske egy dielektromos közegen halad keresztül, mint a közegben a fény sebessége. A hatást Vavilov-Cherenkov sugárzásnak vagy Cerenkov sugárzásnak is nevezik.

Nevét Pavel Aleksejevics Cherenkov szovjet fizikusról nevezték el, aki 1958-ban a fizika Nobel-díjban részesült, Ilja Frank és Igor Tamm közösen, a hatás kísérleti megerősítéséért. Cherenkov először észrevette a hatást 1934-ben, amikor egy üveg víz kék fény által világított sugárzásnak kitéve. Noha ezt a 20. században nem figyelték meg, és addig nem magyarázták, amíg Einstein nem javasolta a különleges elméletét A relativitáselmélet szempontjából az angol polimát Oliver Heaviside előrejelzte a cherenkov-sugárzást elméletileg lehetséges módon 1888-ban.

A fény sebessége vákuumban egy állandó értéken (c), a fény sebessége viszont egy közegen halad c-nél kevesebb, tehát a részecskék gyorsabban haladhatnak a közegen, mint a fény, mégis lassabbak mint a fény sebessége. Általában a kérdéses részecske elektron. Amikor egy energikus elektron áthalad egy dielektromos közegen, az elektromágneses mező megszakad és elektromosan polarizálódik. A közeg azonban csak ilyen gyorsan reagálhat, tehát zavar vagy koherens sokkhullám marad a részecske nyomán. A Cherenkov-sugárzás egyik érdekes tulajdonsága, hogy főleg az ultraibolya spektrumban van, nem világoskék, mégis folyamatos spektrumot képez (ellentétben az emisszióspektrumokkal, amelyeknek spektruma van csúcs).

Ahogy a Cherenkov-sugárzás áthalad a vízen, a töltött részecskék gyorsabban haladnak, mint a fény ezen a közegen keresztül képes. Tehát a látott fény magasabb frekvenciájú (vagy rövidebb hullámhosszú) mint a szokásos hullámhossz. Mivel több fény van rövid hullámhosszon, a fény kék színű. De miért van egyáltalán világosság? Ennek oka az, hogy a gyorsan mozgó töltött részecske gerjeszti a vízmolekulák elektronjait. Ezek az elektronok elnyelik az energiát, és fotonokként (fényként) engedik fel, amikor visszatérnek az egyensúlyba. Rendszerint ezeknek a fotonoknak egy része kiiktatja egymást (romboló interferencia), így nem látsz ragyogást. De ha a részecske gyorsabban halad, mint a fény áthaladhat a vízen, akkor a sokkhullám konstruktív interferenciát generál, amelyet fényként lát.

A Cherenkov-sugárzás nemcsak arra szolgál, hogy a víz kékre világítson egy nukleáris laboratóriumban. Egy medence típusú reaktorban a kék fény mennyisége felhasználható a kiégett fűtőelemek rádióaktivitásának mérésére. A sugárzást a részecskefizikai kísérletekben használják a vizsgált részecskék természetének azonosításához. Orvosi képalkotásban és a biológiai molekulák címkézésében és nyomon követésében használják a kémiai folyamatok jobb megértése érdekében. A Cherenkov sugárzást akkor állítják elő, amikor a kozmikus sugarak és a töltött részecskék kölcsönhatásba lépnek a Föld légkörével, tehát detektorok vannak ezeknek a jelenségeknek a mérésére, a neutrinók kimutatására és a gamma-sugárzást kibocsátó csillagászati ​​tárgyak, például a szupernóva tanulmányozására használják maradványai.

• A cherenkov-sugárzás vákuumban fordulhat elő, nem csak olyan közegben, mint a víz. Vákuumban egy hullám fázissebessége csökken, ám a töltött részecske sebessége közelebb marad (mégis kisebb), mint a fénysebesség. Ennek gyakorlati alkalmazása van, mivel nagy teljesítményű mikrohullámok előállítására használják.
• Ha a relativista töltésű részecskék megütik az emberi szem üveges humorát, akkor Cherenkov-sugárzás villog. Ez történhet kozmikus sugaraknak való kitettséggel vagy nukleáris kritikussal kapcsolatos baleset során.