Nejspíš jste nikdy neviděli vnitřek jaderného reaktoru, ale nárazová vlna modrého světla (nazývaná Cerenkovovo záření) je obdobou známějšího jevu – sonického třesku.
Co je to Cerenkovovo záření?
Příklad Cerenkovova záření (Reedův reaktor).
Cerenkovovo záření je namodralé světlo nebo záblesk, který je často vidět v jaderných reaktorech, kde se jako moderátor používá voda. Pavel Cerenkov objevil Cerenkovovo záření v roce 1934, když studoval účinky radioaktivních látek na kapaliny. Všiml si, že voda obklopující určité radioaktivní látky vyzařuje slabou modrou záři.
Proč k tomu dochází?
Cerenkovovo záření vzniká, když se nabité částice, například elektrony, pohybují v určitém prostředí rychleji, než je rychlost světla. Rázová vlna vzniká podobně jako známější sonický třesk vytvářený nadzvukovými letadly. Když letadlo letí vzduchem, křídla vytlačují vzduch před sebou z cesty. Pokud letadlo letí rychleji než rychlostí zvuku, vzduch se nemůže dostatečně rychle vzdálit z cesty. Vzniká tak náhlý, intenzivní pokles tlaku, který se od křídla vzdaluje rychlostí zvuku, podobně jako vlna za lodí. Tuto tlakovou frontu vnímáme jako hlasitý zvuk (známý jako sonický třesk), který slyšíme poté, co letadlo přeletí nad hlavou.
Elektricky nabité částice, které tvoří vysokoenergetické záření, jsou obklopeny elektrickým polem. Když se tyto nabité částice pohybují prostředím, elektrické pole se pohybuje s nimi. Elektrické pole se šíří fotony, takže se v daném prostředí může pohybovat pouze rychlostí světla. Pokud se nabité částice pohybují rychlostí menší, než je rychlost světla daného prostředí, mají tyto fotony tendenci se vzájemně vyrušit a žádné světlo není vidět. Pokud se však nabitá částice pohybuje v daném prostředí rychleji, než je rychlost světla, „předběhne“ své elektrické pole. Fotony jsou emitovány s mírným zpožděním, což jim umožňuje uniknout, aniž by se vzájemně rušily. Rázová vlna má spíše podobu světla než zvuku a je vidět jako záblesk modrého světla v případě jediné částice a jako slabá záře v případě souvislého toku částic.
Ačkoli žádná částice nemůže ve vakuu překročit rychlost světla (3,0 x 108 m/s), je možné, aby se částice v některých prostředích, například ve vodě, pohybovala rychleji než světlo. Rychlost světla v určitém prostředí souvisí s rychlostí světla ve vakuu a indexem lomu daného prostředí. Většina Cerenkovova záření je v ultrafialovém spektru, ale část energie je viditelné světlo a je vidět jako modrá záře.
Proč je světlo ve vodě modré?
Voda je ze své podstaty modrá kvůli selektivní absorpci červené části spektra. Jedním z vysvětlení Cerenkovova jevu ve vodě je, že atomy ve vodě se excitují Cerenkovovou rázovou vlnou a poté se deexcitují, přičemž vyzařují modré světlo.
Dalším možným vysvětlením je, že počet fotonů vyzářených takovou nabitou částicí je nepřímo úměrný vlnové délce. To by znamenalo, že je emitováno více fotonů s kratší vlnovou délkou, čímž se spektrum posouvá na modrou stranu.
Jak můžeme Cerenkovův jev použít?
Cerenkovovo záření lze využít k usnadnění detekce nízkých koncentrací biomolekul. K zavedení radioaktivních atomů se používají enzymové a syntetické metody. Cerenkovův jev umožňuje výzkumníkům jejich detekci v nízkých koncentracích. Tato metoda se používá ke studiu biologických drah a k charakterizaci interakcí biologických molekul (například konstanty afinity a rychlosti disociace).
V jaderných reaktorech se Cerenkovovo záření používá k detekci vysokoenergetických nabitých částic a také k charakterizaci zbývající radioaktivity vyhořelých palivových tyčí.