Et ole luultavasti koskaan nähnyt ydinreaktorin sisätiloja, mutta sinisen valon shokkiaalto (Cerenkovin säteily) on analoginen tutumman ilmiön – äänimyrskyn – kanssa.
Mitä Cerenkovin säteily on?
Esimerkki Cerenkovin säteilystä (Reed-reaktori).
Cerenkovin säteily on sinertävää valoa tai välähdystä, jota nähdään usein ydinreaktoreissa, joissa käytetään vettä moderaattorina. Pavel Cerenkov löysi Cerenkovin säteilyn vuonna 1934, kun hän tutki radioaktiivisten aineiden vaikutuksia nesteisiin. Hän huomasi, että tiettyjä radioaktiivisia aineita ympäröivä vesi säteilee heikkoa sinistä hehkua.
Miksi se tapahtuu?
Cerenkovin säteilyä syntyy, kun varatut hiukkaset, kuten elektronit, liikkuvat tietyssä väliaineessa valonnopeutta nopeammin. Shokkiaalto syntyy samalla tavalla kuin tutumpi yliäänisten lentokoneiden aiheuttama äänimyrsky. Kun lentokone kulkee ilmassa, siivet työntävät edessä olevaa ilmaa pois tieltään. Jos lentokone kulkee äänen nopeutta nopeammin, ilma ei voi siirtyä pois tieltä riittävän nopeasti. Näin syntyy äkillinen, voimakas painehäviö, joka liikkuu siivestä poispäin äänen nopeudella, aivan kuten veneen vanavedessä. Koemme tämän painerintaman kovaäänisenä meluna (ns. äänimaisemana), jonka kuulemme sen jälkeen, kun lentokone on lentänyt ohi.
Sähköisesti varattuja hiukkasia, jotka muodostavat korkeaenergisen säteilyn, ympäröi sähkökenttä. Kun nämä varatut hiukkaset liikkuvat väliaineen läpi, sähkökenttä liikkuu niiden mukana. Sähkökenttä etenee fotonien avulla, joten se voi liikkua vain valon nopeudella kyseisessä väliaineessa. Kun varattu hiukkanen liikkuu nopeudella, joka on pienempi kuin väliaineen valonnopeus, fotonit pyrkivät kumoamaan toisensa, eikä valoa näy. Jos kuitenkin varattu hiukkanen kulkee kyseisessä väliaineessa valonnopeutta nopeammin, se ”pääsee” sähkökenttänsä edelle. Fotonit emittoituvat pienellä viiveellä, jolloin ne pääsevät pakenemaan häiritsemättä toisiaan. Iskuaalto on pikemminkin valon kuin äänen muodossa, joka näkyy yksittäisen hiukkasen kohdalla sinisen valon välähdyksenä ja jatkuvan hiukkasvirran kohdalla himmeänä hehkuna.
Vaikka yksikään hiukkanen ei voi ylittää valon nopeutta tyhjiössä (3,0 x 108 m/s), on mahdollista, että hiukkanen kulkee valoa nopeammin tietyissä väliaineissa, kuten vedessä. Valon nopeus tietyssä väliaineessa liittyy valon nopeuteen tyhjiössä ja väliaineen taitekertoimeen. Suurin osa Cerenkovin säteilystä kuuluu ultraviolettispektriin, mutta osa energiasta on näkyvää valoa ja näkyy sinisenä hehkuna.
Miksi valo on sinistä vedessä?
Vesi on luonnostaan sinistä, koska se absorboi valikoivasti spektrin punaista päätä. Yksi selitys vedessä esiintyvälle Cerenkovin efektille on, että veden atomit kiihottuvat Cerenkovin shokkiaallon vaikutuksesta ja sitten purkautuvat, jolloin ne säteilevät sinistä valoa.
Toinen mahdollinen selitys on, että tällaisen varautuneen hiukkasen lähettämien fotonien määrä on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Tämä tarkoittaisi, että lyhyemmillä aallonpituuksilla emittoituu enemmän fotoneja, jolloin spektri siirtyy siniselle puolelle.
Miten Cerenkovin vaikutusta voidaan soveltaa?
Cerenkovin säteilyä voidaan käyttää helpottamaan biomolekyylien pienten pitoisuuksien havaitsemista. Radioaktiivisten atomien tuomiseen käytetään entsymaattisia ja synteettisiä menetelmiä. Cerenkovin vaikutuksen avulla tutkijat voivat havaita näitä pieninä pitoisuuksina. Menetelmää käytetään biologisten kulkureittien tutkimiseen ja biologisten molekyylien vuorovaikutuksen kuvaamiseen (kuten affiniteettivakioihin ja dissosiaationopeuksiin).
Ydinreaktoreissa Cerenkovin säteilyä käytetään korkea-energisten varattujen hiukkasten havaitsemiseen, ja sitä käytetään myös käytettyjen polttoainesauvojen jäljelle jäävän radioaktiivisuuden kuvaamiseen.
Kerenkovin säteilyä käytetään myös käytettyjen polttoainesauvojen jäljelle jäävän radioaktiivisuuden kuvaamiseen.