Du har förmodligen aldrig sett insidan av en kärnreaktor, men chockvågen av blått ljus (kallad Cerenkovstrålning) är analog med ett mer välkänt fenomen – ljudbommen.
Vad är Cerenkovstrålning?
Exempel på Cerenkovstrålning (Reedreaktor).
Cerenkovstrålning är ett blåaktigt ljus eller en blåaktig blixt som ofta ses i kärnreaktorer där vatten används som moderator. Pavel Cerenkov upptäckte Cerenkovstrålningen 1934 när han studerade effekterna av radioaktiva ämnen på vätskor. Han noterade att vatten som omgav vissa radioaktiva ämnen avgav ett svagt blått sken.
Varför händer det?
Cerenkovstrålning uppstår när laddade partiklar som elektroner rör sig snabbare än ljusets hastighet i ett visst medium. En chockvåg genereras på ungefär samma sätt som den mer välkända ljudbang som skapas av överljudsflygplan. När ett flygplan färdas genom luften trycker vingarna undan luften framför dem. Om flygplanet färdas snabbare än ljudets hastighet kan luften inte flytta sig ur vägen tillräckligt snabbt. Detta skapar en plötslig, intensiv tryckminskning som rör sig bort från vingen med ljudets hastighet, precis som kölvattnet bakom en båt. Vi upplever denna tryckfront som ett högt ljud (så kallad sonic boom) som hörs efter att flygplanet har passerat över oss.
De elektriskt laddade partiklar som utgör högenergistrålning är omgivna av ett elektriskt fält. När dessa laddade partiklar rör sig genom ett medium rör sig det elektriska fältet med dem. Det elektriska fältet fortplantas av fotoner, så det kan bara röra sig med ljusets hastighet inom detta medium. När en laddad partikel rör sig med en hastighet som är lägre än mediets ljushastighet tenderar dessa fotoner att upphäva varandra och inget ljus syns. Men om en laddad partikel färdas snabbare än ljusets hastighet i det mediet, ”går den före” sitt elektriska fält. Fotonerna avges med en liten fördröjning, vilket gör att de kan fly utan att störa varandra. Stötvågen är i form av ljus snarare än ljud, som ses som en blå ljusblixt för en enskild partikel och som ett svagt sken för ett kontinuerligt flöde av partiklar.
Som ingen partikel kan överskrida ljusets hastighet i ett vakuum (3,0 x 108 m/sek) är det möjligt för en partikel att färdas snabbare än ljuset i vissa medier, till exempel vatten. Ljusets hastighet i ett visst medium är relaterad till ljusets hastighet i vakuum och mediets brytningsindex. Den mesta Cerenkovstrålningen ligger i det ultravioletta spektrumet, men en del av energin är synligt ljus och ses som ett blått sken.
Varför är ljuset blått i vatten?
Vatten är i sig blått på grund av dess selektiva absorption av den röda delen av spektrumet. En förklaring till Cerenkov-effekten i vatten är att atomerna i vattnet blir exciterade av Cerenkovstötvågen och sedan avreagerar och avger blått ljus.
En annan möjlig förklaring är att antalet fotoner som avges av en sådan laddad partikel är omvänt proportionellt mot våglängden. Detta skulle innebära att fler fotoner sänds ut med kortare våglängder och därmed flyttas spektrumet till den blå sidan.
Hur kan vi tillämpa Cerenkov-effekten?
Cerenkov-strålning kan användas för att underlätta detektering av låga koncentrationer av biomolekyler. Enzymatiska och syntetiska metoder används för att införa radioaktiva atomer. Cerenkov-effekten gör det möjligt för forskare att upptäcka dessa i låga koncentrationer. Denna metod används för att studera biologiska vägar och för att karakterisera interaktionen mellan biologiska molekyler (t.ex. affinitetskonstanter och dissociationshastigheter).
I kärnreaktorer används Cerenkovstrålning för att detektera högenergiladdade partiklar, och den används också för att karakterisera den kvarvarande radioaktiviteten i utbrända bränslestavar.