Proč voda v jaderném reaktoru svítí modře

Ve filmech sci-fi, jaderné reaktory a jaderné materiály vždy září. Zatímco filmy používají speciální efekty, záře je založena na vědeckých faktech. Například voda obklopující jaderné reaktory ve skutečnosti svítí jasně modrou barvou! Jak to funguje? Je to kvůli jevu zvanému Cherenkovovo záření.

Co je to Cherenkovovo záření? V podstatě je to jako zvukový rozmach, kromě světla místo zvuku. Cherenkovovo záření je definováno jako elektromagnetické záření vyzařované, když se nabitá částice pohybuje dielektrickým médiem rychleji než rychlost světla v médiu. Tento efekt se také nazývá Vavilov-Cherenkovovo záření nebo Cerenkovovo záření.

Je pojmenován po sovětském fyzikovi Pavlovi Alekseyevičovi Čerenkovovi, který obdržel Nobelovu cenu za fyziku z roku 1958 spolu s Ilyou Frankovou a Igorem Tammem za experimentální potvrzení účinku. Cherenkov poprvé zaznamenal účinek v roce 1934, kdy láhev vody ozářené zářením modrým světlem. Ačkoli to nebylo pozorováno až do 20. století a nevysvětleno, dokud Einstein nenavrhl svou teorii zvláštnosti relativnost, Cherenkovovo záření bylo předpovězeno anglickým polymathem Oliverem Heavisidem, jak bylo teoreticky možné v roce 1888.

Rychlost světla ve vakuu v konstantě (c), přesto rychlost, kterou světlo prochází médiem, je méně než c, takže částice mohou cestovat médiem rychleji než světlo, ale stále pomalejší než rychlost světla. Daná částice je obvykle elektron. Když energetický elektron prochází dielektrickým médiem, elektromagnetické pole je přerušeno a elektricky polarizováno. Médium však může reagovat tak rychle, i když v důsledku částice zůstává rušení nebo koherentní rázová vlna. Jednou zajímavou vlastností Cherenkovovy radiace je to, že je to většinou v ultrafialovém spektru jasně modrá, přesto vytváří spojité spektrum (na rozdíl od emisních spekter, která mají spektrální) vrcholy).

Jak Cherenkovovo záření prochází vodou, nabité částice cestují rychleji než světlo může skrz toto médium. Světlo, které vidíte, má vyšší frekvenci (nebo kratší vlnovou délku) než obvyklá vlnová délka. Protože je zde více světla s krátkou vlnovou délkou, je světlo modré. Ale proč vůbec existuje nějaké světlo? Je to proto, že rychle se pohybující nabitá částice excituje elektrony molekul vody. Tyto elektrony absorbují energii a uvolňují ji jako fotony (světlo), když se vracejí do rovnováhy. Obvykle by se některé z těchto fotonů navzájem rušily (destruktivní interference), takže byste neviděli záři. Když však částice cestuje rychleji než světlo může cestovat vodou, rázová vlna způsobuje konstruktivní rušení, které vidíte jako záři.

Čerenkovské záření je dobré pro více než jen to, aby vaše voda zářila v jaderné laboratoři. V reaktoru typu bazénu lze množství modrého žáru použít k měření radioaktivity vyhořelých palivových tyčí. Záření se používá v experimentech s fyzikou částic, které pomáhají identifikovat povahu zkoumaných částic. Používá se pro lékařské zobrazování a pro značení a sledování biologických molekul pro lepší porozumění chemickým cestám. Čerenkovské záření vzniká, když kosmické paprsky a nabité částice interagují se zemskou atmosférou, takže detektory jsou používá se k měření těchto jevů, k detekci neutrin a ke studiu astronomických objektů emitujících gama záření, jako je supernova zbytky.

• Cherenkovské záření se může objevit ve vakuu, nejen v médiu jako je voda. Ve vakuu klesá fázová rychlost vlny, avšak rychlost nabité částice zůstává blíže (ještě menší než) rychlosti světla. To má praktickou aplikaci, protože se používá k produkci vysoce výkonných mikrovln.
• Pokud relativistické nabité částice zasáhnou sklivec lidského oka, mohou být vidět záblesky Cherenkovovy radiace. K tomu může dojít při vystavení kosmickým paprskům nebo při jaderné havárii s kritičností.