Prawdopodobnie nigdy nie widziałeś wnętrza reaktora jądrowego, ale fala uderzeniowa niebieskiego światła (zwana promieniowaniem Cerenkowa) jest analogiczna do bardziej znanego zjawiska – boomu dźwiękowego.
Co to jest promieniowanie Cerenkowa?
Przykład promieniowania Cerenkowa (reaktor Reeda).
Promieniowanie Cerenkowa to niebieskawe światło lub błysk często obserwowane w reaktorach jądrowych, w których woda jest używana jako moderator. Paweł Cerenkow odkrył promieniowanie Cerenkowa w 1934 roku, kiedy badał wpływ substancji radioaktywnych na ciecze. Zauważył, że woda otaczająca pewne substancje radioaktywne emituje słabą niebieską poświatę.
Dlaczego tak się dzieje?
Promieniowanie Cerenkowa występuje, gdy naładowane cząstki, takie jak elektrony, poruszają się szybciej niż prędkość światła w danym ośrodku. Fala uderzeniowa jest generowana w bardzo podobny sposób, jak bardziej znany boom soniczny tworzony przez naddźwiękowe samoloty. Kiedy samolot porusza się w powietrzu, skrzydła wypychają powietrze znajdujące się przed nimi. Jeśli samolot porusza się szybciej niż prędkość dźwięku, powietrze nie jest w stanie usunąć się z drogi wystarczająco szybko. Powoduje to nagły, intensywny spadek ciśnienia, który oddala się od skrzydła z prędkością dźwięku, podobnie jak fala uderzeniowa za łodzią. Doświadczamy tego frontu ciśnienia jako głośny hałas (znany jako sonic boom) słyszany po tym, jak samolot przeleciał nad głową.
Naładowane elektrycznie cząstki, które tworzą wysokoenergetyczne promieniowanie są otoczone polem elektrycznym. Gdy te naładowane cząstki przemieszczają się przez ośrodek, pole elektryczne przemieszcza się wraz z nimi. Pole elektryczne jest propagowane przez fotony, więc może poruszać się tylko z prędkością światła w danym ośrodku. Gdy naładowana cząstka porusza się z prędkością mniejszą niż prędkość światła w danym ośrodku, fotony te mają tendencję do wzajemnego znoszenia się i nie widać światła. Jeśli jednak naładowana cząstka porusza się z prędkością większą niż prędkość światła w danym ośrodku, „wyprzedza” ona swoje pole elektryczne. Fotony są emitowane z lekkim opóźnieniem, co pozwala im uciec bez wzajemnego zakłócania się. Fala uderzeniowa ma raczej postać światła niż dźwięku, widziana jako błysk niebieskiego światła w przypadku pojedynczej cząstki i jako słaba poświata w przypadku ciągłego przepływu cząstek.
Chociaż żadna cząstka nie może przekroczyć prędkości światła w próżni (3,0 x 108 m/s), możliwe jest, aby cząstka podróżowała szybciej niż światło w pewnych ośrodkach, takich jak woda. Prędkość światła w danym ośrodku jest związana z prędkością światła w próżni i współczynnikiem załamania ośrodka. Większość promieniowania Cerenkowa jest w zakresie ultrafioletu, ale część energii jest światłem widzialnym i jest widziana jako niebieska poświata.
Dlaczego światło w wodzie jest niebieskie?
Woda jest z natury niebieska z powodu selektywnej absorpcji czerwonego końca widma. Jednym z wyjaśnień efektu Cerenkowa w wodzie jest to, że atomy w wodzie zostają wzbudzone przez Cerenkowską falę uderzeniową, a następnie de-excite, emitując niebieskie światło.
Innym możliwym wyjaśnieniem jest to, że liczba fotonów emitowanych przez taką naładowaną cząstkę jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Oznaczałoby to, że więcej fotonów jest emitowanych przy krótszych długościach fal, przesuwając w ten sposób widmo na niebieską stronę.
Jak możemy zastosować efekt Cerenkowa?
Promieniowanie Cerenkowa może być wykorzystane do ułatwienia detekcji niskich stężeń biomolekuł. Do wprowadzania atomów radioaktywnych stosuje się metody enzymatyczne i syntetyczne. Efekt Cerenkowa pozwala badaczom wykrywać je w niskich stężeniach. Metoda ta jest wykorzystywana do badania szlaków biologicznych i charakteryzowania oddziaływań cząsteczek biologicznych (takich jak stałe powinowactwa i współczynniki dysocjacji).
W reaktorach jądrowych promieniowanie Cerenkowa jest wykorzystywane do wykrywania wysokoenergetycznych cząstek naładowanych, a także służy do charakteryzowania pozostałej radioaktywności zużytych prętów paliwowych.
.