Kodėl branduolinio reaktoriaus vanduo švyti mėlynai

Mokslinės fantastikos filmuose branduoliniai reaktoriai ir branduolinės medžiagos visada švyti. Nors filmuose naudojami specialieji efektai, švytėjimas pagrįstas moksliniais faktais. Pavyzdžiui, branduolinius reaktorius supantis vanduo iš tikrųjų šviečia ryškiai mėlynai! Kaip tai veikia? Taip yra dėl reiškinio, vadinamo Čerenkovo ​​radiacija.

Kas yra Čerenkovo ​​radiacija? Iš esmės tai yra tarsi garso bumas, nebent su garsu, o ne su garsu. Čerenkovo ​​radiacija apibrėžiama kaip elektromagnetine spinduliuote skleidžiama, kai įkrauta dalelė juda per dielektrinę terpę greičiau nei šviesos greitis terpėje. Poveikis taip pat vadinamas Vavilovo-Čerenkovo ​​radiacija arba Cerenkovo ​​radiacija.

Jis pavadintas sovietų fiziko Pavelo Aleksejevičiaus Cherenkovo, kuris kartu su Ilja Franku ir Igoriu Tammu gavo 1958 m. Nobelio fizikos premiją, už eksperimentinį efekto patvirtinimą. Pirmą kartą poveikį Cherenkovas pastebėjo 1934 m., Kai butelis vandens veikiami radiacijos, apšviestos mėlyna šviesa. Nors nebuvo stebimas iki XX amžiaus ir nebuvo paaiškintas, kol Einšteinas nepasiūlė savo specialiosios teorijos reliatyvumas, kaip teoriškai įmanoma, Cherenkovo ​​radiacija buvo numatyta anglų politeto Oliverio Heaviside'o 1888 m.

Šviesos greitis vakuume esant konstancijai (c), tačiau šviesos judėjimo per terpę greitis yra mažiau nei c, taigi dalelės gali per terpę keliauti greičiau nei šviesa, tačiau vis tiek lėčiau nei šviesos greitis. Paprastai nagrinėjama dalelė yra elektronas. Kai energetinis elektronas praeina per dielektrinę terpę, elektromagnetinis laukas sutrinka ir yra elektriškai poliarizuotas. Vis dėlto terpė gali reaguoti tik taip greitai, todėl dalelė palieka trikdžius ar nuoseklią smūgio bangą. Vienas įdomus Cherenkovo ​​radiacijos bruožas yra tas, kad jis daugiausia ultravioletiniame spektre, o ne ryškiai mėlyna, tačiau ji sudaro ištisinį spektrą (skirtingai nei emisijos spektrai, kurie turi spektrą smailės).

Kai Čerenkovo ​​radiacija praeina per vandenį, įkrautos dalelės per tą terpę sklinda greičiau nei šviesa. Taigi, jūsų matyta šviesa turi aukštesnį dažnį (arba trumpesnį bangos ilgį) nei įprasta bangos ilgio. Kadangi yra daugiau šviesos, turinčios trumpą bangos ilgį, šviesa atrodo mėlyna. Bet kodėl čia visai nėra šviesos? Taip yra todėl, kad greitai judančios dalelės sužadina vandens molekulių elektronus. Šie elektronai sugeria energiją ir išskiria ją kaip fotonus (šviesą), kai jie grįžta į pusiausvyrą. Paprastai kai kurie iš šių fotonų panaikina vienas kitą (destruktyvūs trukdžiai), todėl jūs nepamatysite spindesio. Bet kai dalelė juda greičiau, nei šviesa gali keliauti per vandenį, smūgio banga sukelia konstruktyvius trukdžius, kuriuos matote kaip švytėjimą.

Čerenkovo ​​spinduliuotė yra naudinga ne tik tam, kad jūsų vanduo pašviesėtų mėlynai branduolinėje laboratorijoje. Baseino tipo reaktoriuje mėlyno spindesio kiekis gali būti naudojamas panaudoto kuro strypų radioaktyvumui įvertinti. Spinduliuotė naudojama dalelių fizikos eksperimentuose, kad padėtų nustatyti tiriamų dalelių prigimtį. Jis naudojamas medicininiame vaizdavime ir biologinėms molekulėms žymėti ir atsekti, kad būtų galima geriau suprasti cheminius kelius. Cherenkovo ​​radiacija sklinda, kai kosminiai spinduliai ir įkrautos dalelės sąveikauja su Žemės atmosfera, taigi detektoriai yra naudojami šiems reiškiniams išmatuoti, neutrinams aptikti ir gama spindulius spinduliuojantiems astronominiams objektams, tokiems kaip supernova, tirti likučiai.

• Cherenkovo ​​radiacija gali atsirasti vakuume, ne tik tokioje terpėje kaip vanduo. Vakuume mažėja fazės bangos greitis, tačiau įkrautų dalelių greitis išlieka artimesnis šviesos greičiui (dar mažesnis). Tai praktinis pritaikymas, nes jis naudojamas didelės galios mikrobangų krosnelėms gaminti.
• Jei relativistinės įkrovos dalelės smogia į stiklakūnį žmogaus akį, gali būti matomos Cherenkovo ​​spinduliuotės bangos. Tai gali įvykti veikiant kosminiams spinduliams arba įvykus branduolinei kritikai.