Probabilmente non hai mai visto l’interno di un reattore nucleare, ma l’onda d’urto di luce blu (chiamata radiazione Cerenkov) è analoga a un fenomeno più familiare – il boom sonico.
Cos’è la radiazione Cerenkov?
Esempio di radiazione Cerenkov (reattore Reed).
La radiazione Cerenkov è una luce bluastra o un flash che si vede spesso nei reattori nucleari dove l’acqua è usata come moderatore. Pavel Cerenkov ha scoperto la radiazione Cerenkov nel 1934, mentre studiava gli effetti delle sostanze radioattive sui liquidi. Notò che l’acqua che circondava certe sostanze radioattive emetteva un debole bagliore blu.
Perché accade?
La radiazione Cerenkov si verifica quando particelle cariche come gli elettroni si muovono più velocemente della velocità della luce in un particolare mezzo. Un’onda d’urto è generata in modo molto simile al più familiare boom sonico creato dagli aerei supersonici. Quando un aereo viaggia nell’aria, le ali spingono l’aria di fronte a loro fuori dalla strada. Se l’aereo viaggia più velocemente della velocità del suono, l’aria non può spostarsi abbastanza velocemente. Questo crea un’improvvisa e intensa caduta di pressione che si allontana dall’ala alla velocità del suono, proprio come la scia dietro una barca. Sperimentiamo questo fronte di pressione come un forte rumore (noto come boom sonico) sentito dopo che l’aereo è passato sopra la testa.
Le particelle elettricamente cariche che compongono la radiazione ad alta energia sono circondate da un campo elettrico. Quando queste particelle cariche si muovono attraverso un mezzo, il campo elettrico si muove con loro. Il campo elettrico è propagato dai fotoni, quindi può muoversi solo alla velocità della luce all’interno di quel mezzo. Quando una particella carica viaggia a una velocità inferiore a quella della luce per il mezzo, questi fotoni tendono ad annullarsi a vicenda e non si vede la luce. Tuttavia, se una particella carica viaggia a una velocità superiore a quella della luce in quel mezzo, “avanza” il suo campo elettrico. I fotoni vengono emessi con un leggero ritardo, permettendo loro di fuggire senza interferire l’uno con l’altro. L’onda d’urto è sotto forma di luce piuttosto che di suono, vista come un lampo di luce blu per una singola particella, e come un debole bagliore per un flusso continuo di particelle.
Mentre nessuna particella può superare la velocità della luce nel vuoto (3,0 x 108 m/sec), è possibile per una particella viaggiare più veloce della luce in certi mezzi, come l’acqua. La velocità della luce in un particolare mezzo è legata alla velocità della luce nel vuoto e all’indice di rifrazione del mezzo. La maggior parte della radiazione di Cerenkov è nello spettro ultravioletto, ma parte dell’energia è luce visibile ed è vista come un bagliore blu.
Perché la luce è blu in acqua?
L’acqua è intrinsecamente blu a causa del suo assorbimento selettivo dell’estremità rossa dello spettro. Una spiegazione dell’effetto Cerenkov nell’acqua è che gli atomi nell’acqua vengono eccitati dall’onda d’urto Cerenkov e poi si diseccitano, emettendo luce blu.
Un’altra possibile spiegazione è che il numero di fotoni emessi da una tale particella carica è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda. Questo significherebbe che vengono emessi più fotoni con lunghezze d’onda più corte, spostando così lo spettro verso il lato blu.
Come possiamo applicare l’effetto Cerenkov?
La radiazione Cerenkov può essere usata per facilitare il rilevamento di basse concentrazioni di biomolecole. I metodi enzimatici e sintetici sono utilizzati per introdurre atomi radioattivi. L’effetto Cerenkov permette ai ricercatori di rilevarli a basse concentrazioni. Questo metodo è usato per studiare i percorsi biologici e per caratterizzare l’interazione delle molecole biologiche (come le costanti di affinità e i tassi di dissociazione).
Nei reattori nucleari, la radiazione Cerenkov è usata per rilevare le particelle cariche ad alta energia, ed è anche usata per caratterizzare la radioattività residua delle barre di combustibile esaurito.