Sie haben wahrscheinlich noch nie das Innere eines Kernreaktors gesehen, aber die Schockwelle aus blauem Licht (genannt Cerenkov-Strahlung) ist analog zu einem bekannteren Phänomen – dem Überschallknall.
Was ist Cerenkov-Strahlung?
Beispiel für Cerenkov-Strahlung (Reed-Reaktor).
Cerenkov-Strahlung ist ein bläuliches Licht oder ein Blitz, der häufig in Kernreaktoren auftritt, in denen Wasser als Moderator verwendet wird. Pavel Cerenkov entdeckte die Cerenkov-Strahlung im Jahr 1934, als er die Auswirkungen radioaktiver Stoffe auf Flüssigkeiten untersuchte. Er bemerkte, dass Wasser, das bestimmte radioaktive Stoffe umgibt, ein schwaches blaues Leuchten aussendet.
Wie kommt es dazu?
Cerenkov-Strahlung entsteht, wenn sich geladene Teilchen wie Elektronen in einem bestimmten Medium schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Eine Schockwelle wird auf ähnliche Weise erzeugt wie der bekanntere Schallknall, der von Überschallflugzeugen erzeugt wird. Wenn ein Flugzeug durch die Luft fliegt, schieben die Tragflächen die Luft vor ihnen aus dem Weg. Wenn das Flugzeug schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt, kann die Luft nicht schnell genug ausweichen. Dadurch entsteht ein plötzlicher, starker Druckabfall, der sich mit Schallgeschwindigkeit von der Tragfläche wegbewegt, ähnlich wie das Kielwasser hinter einem Boot. Wir erleben diese Druckfront als lautes Geräusch (bekannt als Überschallknall), das zu hören ist, nachdem das Flugzeug über uns hinweggezogen ist.
Die elektrisch geladenen Teilchen, aus denen die hochenergetische Strahlung besteht, sind von einem elektrischen Feld umgeben. Wenn sich diese geladenen Teilchen durch ein Medium bewegen, bewegt sich das elektrische Feld mit ihnen. Da sich das elektrische Feld durch Photonen ausbreitet, kann es sich in diesem Medium nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn sich ein geladenes Teilchen mit einer Geschwindigkeit bewegt, die geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit des Mediums, heben sich die Photonen gegenseitig auf, und es wird kein Licht gesehen. Bewegt sich ein geladenes Teilchen jedoch schneller als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium, so „eilt“ es seinem elektrischen Feld voraus. Die Photonen werden mit einer leichten Verzögerung emittiert, so dass sie entweichen können, ohne sich gegenseitig zu stören. Die Stoßwelle hat eher die Form von Licht als von Schall und wird bei einem einzelnen Teilchen als blauer Lichtblitz und bei einem kontinuierlichen Strom von Teilchen als schwaches Glühen wahrgenommen.
Während kein Teilchen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (3,0 x 108 m/sec) überschreiten kann, ist es für ein Teilchen möglich, sich in bestimmten Medien, wie z. B. Wasser, schneller als das Licht zu bewegen. Die Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium hängt von der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und dem Brechungsindex des Mediums ab. Der größte Teil der Cerenkov-Strahlung liegt im ultravioletten Spektrum, aber ein Teil der Energie ist sichtbares Licht und wird als blaues Leuchten wahrgenommen.
Warum ist das Licht in Wasser blau?
Wasser ist von Natur aus blau, weil es das rote Ende des Spektrums selektiv absorbiert. Eine Erklärung für den Cerenkov-Effekt im Wasser ist, dass die Atome im Wasser durch die Cerenkov-Stoßwelle angeregt werden und dann abreagieren und blaues Licht emittieren.
Eine andere mögliche Erklärung ist, dass die Anzahl der von einem solchen geladenen Teilchen emittierten Photonen umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist. Dies würde bedeuten, dass mehr Photonen mit kürzeren Wellenlängen emittiert werden, wodurch sich das Spektrum zur blauen Seite hin verschiebt.
Wie kann man den Cerenkov-Effekt anwenden?
Cerenkov-Strahlung kann verwendet werden, um den Nachweis niedriger Konzentrationen von Biomolekülen zu erleichtern. Mit Hilfe von enzymatischen und synthetischen Methoden werden radioaktive Atome eingebracht. Der Cerenkov-Effekt ermöglicht es den Forschern, diese in geringen Konzentrationen nachzuweisen. Diese Methode wird verwendet, um biologische Wege zu untersuchen und die Wechselwirkung biologischer Moleküle zu charakterisieren (z. B. Affinitätskonstanten und Dissoziationsraten).
In Kernreaktoren wird Cerenkov-Strahlung verwendet, um hochenergetische geladene Teilchen aufzuspüren und um die verbleibende Radioaktivität von abgebrannten Brennstäben zu charakterisieren.