Cerenkov | Cauzele culorii

Exemplu de radiație Cerenkov (reactor Reed).

Radiația Cerenkov este o lumină albăstruie sau o străfulgerare frecvent observată în reactoarele nucleare în care apa este folosită ca moderator. Pavel Cerenkov a descoperit radiația Cerenkov în 1934, în timp ce studia efectele substanțelor radioactive asupra lichidelor. El a observat că apa care înconjura anumite substanțe radioactive emitea o strălucire slabă de culoare albastră.

De ce se întâmplă?

Radiația Cerenkov apare atunci când particule încărcate, cum ar fi electronii, se deplasează mai repede decât viteza luminii într-un anumit mediu. O undă de șoc este generată în același mod ca și mai cunoscutul boom sonic creat de avioanele supersonice. Atunci când un avion se deplasează prin aer, aripile împing aerul din fața lor și îl îndepărtează din calea lor. În cazul în care avionul se deplasează cu o viteză mai mare decât viteza sunetului, aerul nu se poate îndepărta din drum suficient de repede. Acest lucru creează o cădere bruscă și intensă de presiune care se îndepărtează de aripă cu viteza sunetului, la fel ca și urma unei bărci. Experimentăm acest front de presiune sub forma unui zgomot puternic (cunoscut sub numele de boom sonic) auzit după ce avionul a trecut pe deasupra noastră.

Particulele încărcate electric care alcătuiesc radiațiile de mare energie sunt înconjurate de un câmp electric. Pe măsură ce aceste particule încărcate se deplasează printr-un mediu, câmpul electric se deplasează odată cu ele. Câmpul electric este propagat de fotoni, deci se poate deplasa doar cu viteza luminii în mediul respectiv. Atunci când o particulă încărcată se deplasează cu o viteză mai mică decât viteza luminii pentru mediul respectiv, acești fotoni tind să se anuleze reciproc și nu se observă nicio lumină. Cu toate acestea, dacă o particulă încărcată se deplasează cu o viteză mai mare decât viteza luminii în mediul respectiv, ea „devansează” câmpul său electric. Fotonii sunt emiși cu un ușor decalaj, ceea ce le permite să scape fără să interfereze unul cu celălalt. Unda de șoc este sub formă de lumină mai degrabă decât de sunet, văzută ca o străfulgerare de lumină albastră pentru o singură particulă și ca o strălucire slabă pentru un flux continuu de particule.

În timp ce nicio particulă nu poate depăși viteza luminii în vid (3,0 x 108 m/sec), este posibil ca o particulă să se deplaseze mai repede decât lumina în anumite medii, cum ar fi apa. Viteza luminii într-un anumit mediu este legată de viteza luminii în vid și de indicele de refracție al mediului respectiv. Cea mai mare parte a radiației Cerenkov se află în spectrul ultraviolet, dar o parte din energie este lumină vizibilă și este văzută ca o strălucire albastră.

De ce este lumina albastră în apă?

Apa este în mod intrinsec albastră din cauza absorbției sale selective a capătului roșu al spectrului. O explicație a efectului Cerenkov în apă este că atomii din apă sunt excitați de unda de șoc Cerenkov și apoi se dezobișnuiesc, emițând lumină albastră.

O altă explicație posibilă este că numărul de fotoni emiși de o astfel de particulă încărcată este invers proporțional cu lungimea de undă. Acest lucru ar însemna că mai mulți fotoni sunt emiși cu lungimi de undă mai scurte, mutând astfel spectrul spre partea albastră.

Cum putem aplica efectul Cerenkov?

Radiația Cerenkov poate fi folosită pentru a facilita detectarea concentrațiilor mici de biomolecule. Se folosesc metode enzimatice și sintetice pentru a introduce atomi radioactivi. Efectul Cerenkov permite cercetătorilor să îi detecteze pe aceștia la concentrații mici. Această metodă este utilizată pentru a studia căile biologice și pentru a caracteriza interacțiunea moleculelor biologice (cum ar fi constantele de afinitate și ratele de disociere).

În reactoarele nucleare, radiația Cerenkov este utilizată pentru a detecta particule încărcate de înaltă energie și este, de asemenea, utilizată pentru a caracteriza radioactivitatea remanentă a barelor de combustibil uzat.

.