Valószínűleg még sosem láttál atomreaktor belsejét, de a kék fény lökéshulláma (az úgynevezett Cerenkov-sugárzás) analóg egy ismertebb jelenséggel, a hangrobbanással.
Mi a Cerenkov-sugárzás?
Példa a Cerenkov-sugárzásra (Reed-reaktor).
A Cerenkov-sugárzás kékes fény vagy villanás, amely gyakran látható olyan atomreaktorokban, ahol vizet használnak moderátorként. Pavel Cerenkov fedezte fel a Cerenkov-sugárzást 1934-ben, amikor a radioaktív anyagok folyadékokra gyakorolt hatását tanulmányozta. Észrevette, hogy bizonyos radioaktív anyagokat körülvevő víz halvány kékes fényt bocsát ki.
Miért történik?
Cerenkov-sugárzás akkor keletkezik, amikor a töltött részecskék, például az elektronok a fénysebességnél gyorsabban mozognak egy adott közegben. A lökéshullám ugyanúgy keletkezik, mint a szuperszonikus repülőgépek által keltett ismertebb hangrobbanás. Amikor egy repülőgép a levegőben halad, a szárnyak eltolják az előttük lévő levegőt az útból. Ha a repülőgép a hangsebességnél gyorsabban halad, a levegő nem tud elég gyorsan eltávolodni az útból. Ez egy hirtelen, intenzív nyomásesést hoz létre, amely a hangsebességgel távolodik a szárnyaktól, akárcsak egy hajó mögött a hullámok. Ezt a nyomásfrontot hangos zajként (úgynevezett hangrobbanásként) érzékeljük, amelyet a repülőgép elhaladása után hallunk.
A nagyenergiájú sugárzást alkotó elektromosan töltött részecskéket elektromos mező veszi körül. Ahogy ezek a töltött részecskék egy közegen keresztül mozognak, az elektromos mező velük együtt mozog. Az elektromos mezőt fotonok terjesztik, ezért csak fénysebességgel mozoghat az adott közegben. Ha egy töltött részecske a közeg fénysebességénél kisebb sebességgel halad, akkor ezek a fotonok kioltják egymást, és nem látható fény. Ha azonban egy töltött részecske gyorsabban halad, mint az adott közegben a fénysebesség, akkor “megelőzi” az elektromos mezőjét. A fotonok kis késéssel bocsátódnak ki, lehetővé téve számukra, hogy egymás zavarása nélkül távozzanak. A lökéshullám inkább fény, mint hang formájában jelentkezik, egyetlen részecske esetén kék fényvillanásként, folyamatos részecskeáramlás esetén pedig halvány izzásként látható.
Míg vákuumban (3,0 x 108 m/sec) egyetlen részecske sem haladhatja meg a fénysebességet, bizonyos közegekben, például a vízben lehetséges, hogy egy részecske a fénynél gyorsabban haladjon. A fény sebessége egy adott közegben a vákuumban mért fénysebességgel és a közeg törésmutatójával függ össze. A Cerenkov-sugárzás nagy része az ultraibolya spektrumban van, de az energia egy része látható fény, és kék ragyogásként látható.
Miért kék a fény a vízben?
A víz eredendően kék, mert szelektíven elnyeli a spektrum vörös végét. A vízben fellépő Cerenkov-effektus egyik magyarázata az, hogy a vízben lévő atomok a Cerenkov-lökéshullám hatására gerjesztődnek, majd legerjednek, és kék fényt bocsátanak ki.
Egy másik lehetséges magyarázat az, hogy az ilyen töltött részecske által kibocsátott fotonok száma fordítottan arányos a hullámhosszal. Ez azt jelentené, hogy több fotont bocsátanak ki rövidebb hullámhosszon, ezáltal a spektrum a kék oldalra tolódik.
Hogyan alkalmazhatjuk a Cerenkov-effektust?
A Cerenkov-sugárzás felhasználható a biomolekulák alacsony koncentrációjának kimutatásának megkönnyítésére. Enzimatikus és szintetikus módszerekkel radioaktív atomokat juttatnak be. A Cerenkov-effektus lehetővé teszi a kutatók számára, hogy ezeket alacsony koncentrációban kimutassák. Ezt a módszert biológiai útvonalak tanulmányozására és biológiai molekulák kölcsönhatásainak jellemzésére (például affinitási állandók és disszociációs sebességek) használják.
Az atomreaktorokban a Cerenkov-sugárzást a nagy energiájú töltött részecskék kimutatására használják, és a kiégett fűtőelemek maradék radioaktivitásának jellemzésére is alkalmazzák.