Prečo voda v jadrovom reaktore svieti modro

Vo filmoch sci-fi, jadrové reaktory a jadrové materiály vždy žiaria. Zatiaľ čo filmy používajú špeciálne efekty, žiara je založená na vedeckých faktoch. Napríklad jadrové reaktory obklopujúce vodu skutočne žiaria jasne modrou farbou! Ako to funguje? Je to kvôli javu zvanému Cherenkovovo žiarenie.

Čo je to Cherenkovove žiarenie? V podstate je to ako zvukový rozmach, okrem svetla namiesto zvuku. Cherenkovove žiarenie je definované ako elektromagnetické žiarenie emitované, keď nabitá častica prechádza dielektrickým médiom rýchlejšie ako rýchlosť svetla v médiu. Tento efekt sa nazýva aj žiarenie Vavilov-Cherenkov alebo Cerenkov.

Je pomenovaný po sovietskom fyzikovi Pavlovi Alekseyevičovi Čerenkovovi, ktorý získal Nobelovu cenu za fyziku z roku 1958, spolu s Ilyou Frankovou a Igorom Tammom za experimentálne potvrdenie účinku. Cherenkov prvýkrát zaznamenal účinok v roku 1934, keď fľaša vody vystavené žiareniu žiariacemu modrému svetlu. Hoci nebol pozorovaný až v 20. storočí a nevysvetlený, až Einstein navrhol svoju teóriu zvláštnosti relativitu, Cherenkovove žiarenie predpovedal anglický polymath Oliver Heaviside, ako bolo teoreticky možné v roku 1888.

Rýchlosť svetla vo vákuu pri konštantnej hodnote (c), avšak rýchlosť, ktorou svetlo prechádza médiom, je menej ako c, takže je možné, aby častice prešli médiom rýchlejšie ako svetlo, ale ešte pomalšie ako rýchlosť svetla. Zvyčajne ide o elektrón. Keď energický elektrón prechádza dielektrickým médiom, elektromagnetické pole je prerušené a elektricky polarizované. Médium však môže reagovať tak rýchlo, aj keď v dôsledku častice zostane porucha alebo súvislá rázová vlna. Jednou zaujímavou črtou Cherenkovovej radiácie je, že je to väčšinou v ultrafialovom spektre jasne modrá, napriek tomu tvorí spojité spektrum (na rozdiel od emisných spektier, ktoré majú spektrálne spektrum) vrcholy).

Keď Cherenkovove žiarenie prechádza vodou, nabité častice prechádzajú týmto médiom rýchlejšie ako svetlo. Svetlo, ktoré vidíte, má vyššiu frekvenciu (alebo kratšiu vlnovú dĺžku) ako je obvyklá vlnová dĺžka. Pretože je tu viac svetla s krátkou vlnovou dĺžkou, svetlo sa javí modré. Ale prečo je vôbec nejaké svetlo? Je to preto, že rýchlo sa pohybujúce nabité častice excitujú elektróny molekúl vody. Tieto elektróny absorbujú energiu a uvoľňujú ju ako fotóny (svetlo), keď sa vracajú do rovnováhy. Zvyčajne sa niektoré z týchto fotónov navzájom rušia (deštruktívne rušenie), takže by ste nevideli žiaru. Ale keď častice cestujú rýchlejšie ako svetlo môže cestovať vodou, nárazová vlna vytvára konštrukčné rušenie, ktoré vidíte ako žiaru.

Žiarenie Cherenkov je dobré pre viac ako len to, aby vaša voda žiarila na modro v jadrovom laboratóriu. V bazénovom reaktore sa množstvo modrej žiary môže použiť na meranie rádioaktivity vyhorených palivových tyčí. Žiarenie sa používa v experimentoch fyziky častíc, ktoré pomáhajú identifikovať povahu skúmaných častíc. Používa sa pri lekárskom zobrazovaní a na označovanie a sledovanie biologických molekúl, aby lepšie porozumel chemickým cestám. Čerenkovské žiarenie vzniká, keď kozmické lúče a nabité častice interagujú so zemskou atmosférou, takže detektory sú používa sa na meranie týchto javov, na detekciu neutrín a na štúdium astronomických objektov emitujúcich gama žiarenie, ako je napríklad supernova zvyšky.

• Cherenkovove žiarenie sa môže vyskytnúť vo vákuu, nielen v médiu ako voda. Vo vákuu klesá fázová rýchlosť vlny, avšak rýchlosť nabitých častíc zostáva bližšie k (ešte menej) rýchlosti svetla. Toto má praktickú aplikáciu, pretože sa používa na výrobu vysoko výkonných mikrovĺn.
• Ak relativistické nabité častice zasiahnu sklovec ľudského oka, môžu sa objaviť záblesky Cherenkovovej radiácie. Môže k tomu dôjsť pri vystavení kozmickým lúčom alebo pri havárii s jadrovou kritickosťou.