Vous n’avez probablement jamais vu l’intérieur d’un réacteur nucléaire, mais l’onde de choc de lumière bleue (appelée rayonnement Cerenkov) est analogue à un phénomène plus familier : le bang sonique.
Qu’est-ce que le rayonnement Cerenkov ?
Exemple de rayonnement Cerenkov (réacteur Reed).
Le rayonnement Cerenkov est une lumière ou un flash bleuté fréquemment observé dans les réacteurs nucléaires où l’eau est utilisée comme modérateur. Pavel Cerenkov a découvert le rayonnement Cerenkov en 1934, alors qu’il étudiait les effets des substances radioactives sur les liquides. Il a remarqué que l’eau entourant certaines substances radioactives émettait une faible lueur bleue.
Pourquoi cela se produit-il ?
Le rayonnement Cerenkov se produit lorsque des particules chargées comme les électrons se déplacent plus rapidement que la vitesse de la lumière dans un milieu particulier. Une onde de choc est générée de la même manière que le bang sonique plus familier créé par les avions supersoniques. Lorsqu’un avion se déplace dans l’air, les ailes poussent l’air devant elles pour l’écarter. Si l’avion se déplace plus vite que la vitesse du son, l’air ne peut pas s’écarter assez rapidement. Cela crée une chute de pression soudaine et intense qui s’éloigne de l’aile à la vitesse du son, tout comme le sillage d’un bateau. Nous ressentons ce front de pression comme un bruit fort (connu sous le nom de bang sonique) entendu après que l’avion soit passé au-dessus de nos têtes.
Les particules chargées électriquement qui composent le rayonnement à haute énergie sont entourées d’un champ électrique. Lorsque ces particules chargées se déplacent dans un milieu, le champ électrique se déplace avec elles. Le champ électrique est propagé par les photons, il ne peut donc se déplacer qu’à la vitesse de la lumière dans ce milieu. Lorsqu’une particule chargée se déplace à une vitesse inférieure à celle de la lumière dans le milieu, les photons ont tendance à s’annuler mutuellement et aucune lumière n’est visible. En revanche, si une particule chargée se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans ce milieu, elle « prend de l’avance » sur son champ électrique. Les photons sont émis avec un léger décalage, ce qui leur permet de s’échapper sans interférer les uns avec les autres. L’onde de choc se présente sous la forme de lumière plutôt que de son, perçue comme un flash de lumière bleue pour une seule particule, et comme une faible lueur pour un flux continu de particules.
Bien qu’aucune particule ne puisse dépasser la vitesse de la lumière dans le vide (3,0 x 108 m/sec), il est possible pour une particule de se déplacer plus vite que la lumière dans certains milieux, comme l’eau. La vitesse de la lumière dans un milieu particulier est liée à la vitesse de la lumière dans le vide et à l’indice de réfraction du milieu. La plupart des radiations Cerenkov sont dans le spectre ultraviolet, mais une partie de l’énergie est de la lumière visible et est vue comme une lueur bleue.
Pourquoi la lumière est-elle bleue dans l’eau ?
L’eau est intrinsèquement bleue en raison de son absorption sélective de l’extrémité rouge du spectre. Une explication de l’effet Cerenkov dans l’eau est que les atomes de l’eau deviennent excités par l’onde de choc Cerenkov et se désexcitent ensuite, émettant une lumière bleue.
Une autre explication possible est que le nombre de photons émis par une telle particule chargée est inversement proportionnel à la longueur d’onde. Cela signifierait que plus de photons sont émis avec des longueurs d’onde plus courtes, déplaçant ainsi le spectre vers le côté bleu.
Comment pouvons-nous appliquer l’effet Cerenkov ?
Le rayonnement Cerenkov peut être utilisé pour faciliter la détection de faibles concentrations de biomolécules. Des méthodes enzymatiques et synthétiques sont utilisées pour introduire des atomes radioactifs. L’effet Cerenkov permet aux chercheurs de les détecter à de faibles concentrations. Cette méthode est utilisée pour étudier les voies biologiques et pour caractériser l’interaction des molécules biologiques (telles que les constantes d’affinité et les taux de dissociation).
Dans les réacteurs nucléaires, le rayonnement Cerenkov est utilisé pour détecter les particules chargées de haute énergie, et est également utilisé pour caractériser la radioactivité restante des barres de combustible usé.