原子炉の中を見たことはないでしょうが、青い光の衝撃波(セレンコフ放射といいます)は、もっと身近な現象であるソニックブームに似ています。
セレンコフ放射とは何ですか。
セレンコフ放射の例(リード炉)
セレンコフ放射は、水を減速材とする原子炉で頻繁に見られる青っぽい光や閃光のことである。 セレンコフ放射は、1934年、放射性物質が液体に与える影響を研究していたPavel Cerenkovが発見しました。
なぜ起こるのか?
セレンコフ放射は、電子などの荷電粒子が特定の媒体中で光速より速く移動しているときに発生します。 衝撃波は、超音速の飛行機が作り出す、より身近なソニックブームとほぼ同じ方法で発生します。 飛行機が空を飛ぶとき、翼が前方の空気を押し出す。 しかし、音速を超えるスピードで飛行している飛行機では、空気を十分に押し流すことができません。 これは、ボートの後流のように、音速で翼から遠ざかる急激で強い圧力損失を発生させます。 この圧力前線は、飛行機が頭上を通過した後に聞こえる大きな音(ソニックブームとして知られている)として経験します。
高エネルギー放射を構成する電荷を帯びた粒子は、電界に囲まれています。 この荷電粒子が媒質中を移動するとき、電場も一緒に移動します。 電場は光子によって伝搬されるので、その媒質内では光速でしか移動できない。 荷電粒子が媒質の光速より遅い速度で移動する場合、これらの光子は互いに打ち消し合う傾向があり、光は見えません。 しかし、荷電粒子がその媒質内を光速より速く移動すると、その電場より「先回り」してしまう。 光子はわずかに遅れて放出され、互いに干渉することなく逃げ出すことができる。
真空中で光速(3.0×108 m/sec)を超える粒子はありませんが、水などの特定の媒質中では光よりも速く移動することが可能です。 特定の媒質における光の速度は、真空中の光の速度と媒質の屈折率に関連している。
なぜ水の中では光が青くなるのか?
水はスペクトルの赤い端を選択的に吸収するため、本質的に青いのです。 水中でのチェレンコフ効果の説明として、水中の原子がチェレンコフ衝撃波によって励起され、その後脱励磁して青い光を放出するというものがあります。
もう一つの可能性は、このような荷電粒子によって放出される光子の数が波長に反比例しているということです。
セレンコフ効果をどのように応用できるか
セレンコフ放射は、低濃度の生体分子の検出を容易にするために用いることができる。 放射性原子の導入には、酵素法や合成法が使われます。 このセレンコフ効果により、研究者は低濃度のこれらを検出することができる。 この方法は、生物学的経路の研究や、生体分子の相互作用(親和定数や解離率など)の特性評価に用いられています。
原子炉では、高エネルギーの荷電粒子の検出にセレンコフ放射が用いられ、また使用済み燃料棒の残存放射能を特性評価するためにも用いられています。