Je hebt waarschijnlijk nog nooit de binnenkant van een kernreactor gezien, maar de schokgolf van blauw licht (Cerenkov-straling genoemd) is analoog aan een bekender verschijnsel – de sonische giek.
Wat is Cerenkov-straling?
Voorbeeld van Cerenkov-straling (Reed-reactor).
Cerenkov-straling is een blauwachtig licht of flits die vaak wordt gezien in kernreactoren waar water als moderator wordt gebruikt. Pavel Cerenkov ontdekte de Cerenkovstraling in 1934, toen hij de effecten van radioactieve stoffen op vloeistoffen bestudeerde. Hij merkte op dat water rond bepaalde radioactieve stoffen een zwakke blauwe gloed uitstraalde.
Waarom gebeurt het?
Cerenkovstraling ontstaat wanneer geladen deeltjes zoals elektronen zich in een bepaald medium sneller verplaatsen dan de lichtsnelheid. Een schokgolf ontstaat op ongeveer dezelfde manier als de meer bekende sonische golven die door supersonische vliegtuigen worden veroorzaakt. Wanneer een vliegtuig door de lucht vliegt, duwen de vleugels de lucht voor hen uit de weg. Als het vliegtuig sneller vliegt dan de geluidssnelheid, kan de lucht niet snel genoeg aan de kant gaan. Hierdoor ontstaat een plotselinge, intense drukval die zich met de snelheid van het geluid van de vleugel verwijdert, net als het kielzog achter een boot. We ervaren dit drukfront als een hard geluid (bekend als een sonische giek) dat we horen nadat het vliegtuig over de grond is gegaan.
De elektrisch geladen deeltjes waaruit hoogenergetische straling bestaat, zijn omgeven door een elektrisch veld. Als deze geladen deeltjes zich door een medium bewegen, beweegt het elektrische veld met hen mee. Het elektrische veld wordt voortgeplant door fotonen, zodat het zich alleen met de lichtsnelheid binnen dat medium kan verplaatsen. Wanneer een geladen deeltje met een snelheid reist die lager is dan de lichtsnelheid van het medium, hebben deze fotonen de neiging elkaar op te heffen en wordt er geen licht waargenomen. Als echter een geladen deeltje sneller reist dan de lichtsnelheid in dat medium, “loopt het voor” op zijn elektrisch veld. De fotonen worden met een kleine vertraging uitgezonden, zodat ze kunnen ontsnappen zonder elkaar te storen. De schokgolf is in de vorm van licht in plaats van geluid, te zien als een flits van blauw licht voor een enkel deeltje, en als een zwakke gloed voor een continue stroom deeltjes.
Hoewel geen enkel deeltje de lichtsnelheid in een vacuüm (3,0 x 108 m/sec) kan overschrijden, is het mogelijk voor een deeltje om sneller dan het licht te reizen in bepaalde media, zoals water. De lichtsnelheid in een bepaald medium is gerelateerd aan de lichtsnelheid in vacuüm en de brekingsindex van het medium. De meeste Cerenkov-straling bevindt zich in het ultraviolette spectrum, maar een deel van de energie is zichtbaar licht en wordt waargenomen als een blauwe gloed.
Waarom is het licht blauw in water?
Water is intrinsiek blauw vanwege de selectieve absorptie van het rode eind van het spectrum. Een verklaring voor het Cerenkov-effect in water is dat de atomen in het water door de Cerenkov-schokgolf worden geëxciteerd en vervolgens ontbranden, waarbij blauw licht wordt uitgezonden.
Een andere mogelijke verklaring is dat het aantal fotonen dat door zo’n geladen deeltje wordt uitgezonden omgekeerd evenredig is met de golflengte. Dit zou betekenen dat bij kortere golflengten meer fotonen worden uitgezonden, waardoor het spectrum naar de blauwe kant opschuift.
Hoe kunnen we het Cerenkov-effect toepassen?
Cerenkovstraling kan worden gebruikt om de detectie van lage concentraties van biomoleculen te vergemakkelijken. Enzymatische en synthetische methoden worden gebruikt om radioactieve atomen in te brengen. Het Cerenkov-effect stelt onderzoekers in staat deze bij lage concentraties te detecteren. Deze methode wordt gebruikt om biologische routes te bestuderen en de interactie van biologische moleculen te karakteriseren (zoals affiniteitsconstanten en dissociatiesnelheden).
In kernreactoren wordt Cerenkov-straling gebruikt om hoogenergetisch geladen deeltjes te detecteren, en wordt ook gebruikt om de resterende radioactiviteit van verbruikte splijtstofstaven te karakteriseren.