Probablemente nunca hayas visto el interior de un reactor nuclear, pero la onda expansiva de luz azul (llamada radiación Cerenkov) es análoga a un fenómeno más familiar: el estampido sónico.
¿Qué es la radiación Cerenkov?
Ejemplo de radiación Cerenkov (reactor Reed).
La radiación Cerenkov es una luz o destello azulado que se observa con frecuencia en los reactores nucleares en los que se utiliza agua como moderador. Pavel Cerenkov descubrió la radiación Cerenkov en 1934, mientras estudiaba los efectos de las sustancias radiactivas en los líquidos. Observó que el agua que rodeaba ciertas sustancias radiactivas emitía un tenue resplandor azul.
¿Por qué se produce?
La radiación Cerenkov se produce cuando las partículas cargadas, como los electrones, se mueven más rápido que la velocidad de la luz en un medio determinado. La onda de choque se genera de forma muy parecida a la más conocida explosión sónica creada por los aviones supersónicos. Cuando un avión se desplaza por el aire, las alas empujan el aire que se encuentra delante de ellas. Si el avión viaja a una velocidad superior a la del sonido, el aire no puede apartarse lo suficientemente rápido. Esto crea una repentina e intensa caída de presión que se aleja del ala a la velocidad del sonido, al igual que la estela detrás de un barco. Experimentamos este frente de presión como un fuerte ruido (conocido como estampido sónico) que se oye después de que el avión haya pasado por encima.
Las partículas cargadas eléctricamente que componen la radiación de alta energía están rodeadas por un campo eléctrico. Cuando estas partículas cargadas se mueven a través de un medio, el campo eléctrico se mueve con ellas. El campo eléctrico se propaga mediante fotones, por lo que sólo puede moverse a la velocidad de la luz dentro de ese medio. Cuando una partícula cargada se desplaza a una velocidad inferior a la de la luz para el medio, estos fotones tienden a anularse entre sí y no se ve luz. Sin embargo, si una partícula cargada viaja a mayor velocidad que la de la luz en ese medio, se «adelanta» a su campo eléctrico. Los fotones se emiten con un ligero retraso, lo que les permite escapar sin interferir unos con otros. La onda de choque tiene forma de luz y no de sonido, y se ve como un destello de luz azul en el caso de una sola partícula, y como un débil resplandor en el caso de un flujo continuo de partículas.
Aunque ninguna partícula puede superar la velocidad de la luz en el vacío (3,0 x 108 m/seg), es posible que una partícula viaje más rápido que la luz en ciertos medios, como el agua. La velocidad de la luz en un medio concreto está relacionada con la velocidad de la luz en el vacío y el índice de refracción del medio. La mayor parte de la radiación Cerenkov está en el espectro ultravioleta, pero parte de la energía es luz visible y se ve como un resplandor azul.
¿Por qué la luz es azul en el agua?
El agua es intrínsecamente azul debido a su absorción selectiva del extremo rojo del espectro. Una explicación del efecto Cerenkov en el agua es que los átomos del agua se excitan por la onda de choque Cerenkov y luego se desexcitan, emitiendo luz azul.
Otra posible explicación es que el número de fotones emitidos por dicha partícula cargada es inversamente proporcional a la longitud de onda. Esto significaría que se emiten más fotones con longitudes de onda más cortas, desplazando así el espectro hacia el lado azul.
¿Cómo podemos aplicar el efecto Cerenkov?
La radiación Cerenkov puede utilizarse para facilitar la detección de bajas concentraciones de biomoléculas. Se utilizan métodos enzimáticos y sintéticos para introducir átomos radiactivos. El efecto Cerenkov permite a los investigadores detectarlos a bajas concentraciones. Este método se utiliza para estudiar las vías biológicas y para caracterizar la interacción de las moléculas biológicas (como las constantes de afinidad y las tasas de disociación).
En los reactores nucleares, la radiación Cerenkov se utiliza para detectar partículas cargadas de alta energía, y también se utiliza para caracterizar la radiactividad restante de las barras de combustible gastadas.