Hvorfor er vannet blått i en atomreaktor? Cherenkov stråling

Hvorfor atomreaktorer virkelig gløder

Cherenkov-stråling får vann i en atomreaktor til å lyse blått.

Argonne National Laboratory

I science fiction-filmer gløder atomreaktorer og kjernefysiske materialer alltid. Mens filmer bruker spesialeffekter, er gløden basert på vitenskapelige fakta. For eksempel lyser vannet rundt atomreaktorer faktisk knallblått! Hvordan virker det? Det er på grunn av fenomenet kalt Cherenkov-stråling.

Cherenkov Stråling Definisjon

Hva er Cherenkov-stråling? I hovedsak er det som en lydbom, bortsett fra med lys i stedet for lyd. Cherenkov-stråling er definert som den elektromagnetiske strålingen sendes ut når en ladet partikkel beveger seg gjennom et dielektrisk medium raskere enn lyshastigheten i mediet. Effekten kalles også Vavilov-Cherenkov-stråling eller Cerenkov-stråling.

Den er oppkalt etter den sovjetiske fysikeren Pavel Alekseyevich Cherenkov, som mottok Nobelprisen i fysikk i 1958, sammen med Ilya Frank og Igor Tamm, for eksperimentell bekreftelse av effekten. Cherenkov hadde først lagt merke til effekten i 1934, da en flaske vann utsatt for stråling glødet med blått lys. Selv om den ikke ble observert før på 1900-tallet og ikke forklart før Einstein foreslo sin spesielle relativitetsteori, hadde Cherenkov-stråling blitt spådd av den engelske polymaten Oliver Heaviside som teoretisk mulig i 1888.

Hvordan Cherenkov-stråling fungerer

Lysets hastighet i et vakuum i en konstant (c), men hastigheten som lyset beveger seg gjennom et medium med er mindre enn c, så det er mulig for partikler å reise gjennom mediet raskere enn lyset, men likevel langsommere enn lysets hastighet . Vanligvis er den aktuelle partikkelen et elektron. Når et energisk elektron passerer gjennom et dielektrisk medium, blir det elektromagnetiske feltet forstyrret og elektrisk polarisert. Mediet kan imidlertid bare reagere så raskt, så det er en forstyrrelse eller en sammenhengende sjokkbølge igjen i kjølvannet av partikkelen. Et interessant trekk ved Cherenkov-stråling er at det stort sett er i det ultrafiolette spekteret, ikke lyseblått, men det danner et kontinuerlig spektrum (i motsetning til emisjonsspektra, som har spektrale topper).

Hvorfor vann i en atomreaktor er blått

Når Cherenkov-stråling passerer gjennom vannet, beveger de ladede partiklene seg raskere enn lys kan gjennom det mediet. Så, lyset du ser har en høyere frekvens (eller kortere bølgelengde) enn den vanlige bølgelengden . Fordi det er mer lys med kort bølgelengde, virker lyset blått. Men hvorfor er det noe lys i det hele tatt? Det er fordi den raskt bevegelige ladede partikkelen eksiterer elektronene til vannmolekylene. Disse elektronene absorberer energi og frigjør den som fotoner (lys) når de vender tilbake til likevekt. Vanligvis ville noen av disse fotonene oppheve hverandre (destruktiv interferens), slik at du ikke ville se en glød. Men når partikkelen beveger seg raskere enn lys kan reise gjennom vannet, produserer sjokkbølgen konstruktiv interferens som du ser som en glød.

Bruk av Cherenkov-stråling

Cherenkov-stråling er bra for mer enn bare å få vannet til å lyse blått i et atomlaboratorium. I en reaktor av bassengtypen kan mengden blå glød brukes til å måle radioaktiviteten til brukte brenselstaver. Strålingen brukes i partikkelfysikkeksperimenter for å hjelpe med å identifisere arten til partiklene som undersøkes. Det brukes i medisinsk bildebehandling og for å merke og spore biologiske molekyler for bedre å forstå kjemiske veier. Cherenkov-stråling produseres når kosmiske stråler og ladede partikler samhandler med jordens atmosfære, så detektorer brukes til å måle disse fenomenene, for å oppdage nøytrinoer og for å studere gammastråleutsendende astronomiske objekter, for eksempel supernova-rester.

Morsomme fakta om Cherenkov-stråling

• Cherenkov-stråling kan oppstå i et vakuum, ikke bare i et medium som vann. I et vakuum avtar fasehastigheten til en bølge, men den ladede partikkelhastigheten forblir nærmere (ennå mindre enn) lysets hastighet. Dette har en praktisk anvendelse, siden det brukes til å produsere høyeffektsmikrobølger.
• Hvis relativistisk ladede partikler treffer glasslegemet i det menneskelige øyet, kan man se glimt av Cherenkov-stråling. Dette kan oppstå ved eksponering for kosmiske stråler eller i en atomulykke.