Hvorfor vandet i en atomreaktor lyser blåt

I science fiction-film gløder altid atomreaktorer og nukleare materialer. Mens film bruger specialeffekter, er glødet baseret på videnskabelig kendsgerning. F.eks. Lyser vandet omkring kerneaktorer reaktivt blå! Hvordan virker det? Det skyldes fænomenet kaldet Cherenkov-stråling.

Hvad er Cherenkov-stråling? I det væsentlige er det som en lydbom undtagen med lys i stedet for lyd. Cherenkov-stråling er defineret som den elektromagnetiske stråling udsendes, når en ladet partikel bevæger sig gennem et dielektrisk medium hurtigere end lysets hastighed i mediet. Effekten kaldes også Vavilov-Cherenkov-stråling eller Cerenkov-stråling.

Det er opkaldt efter den sovjetiske fysiker Pavel Alekseyevich Cherenkov, der modtog Nobelprisen i fysik fra 1958 sammen med Ilya Frank og Igor Tamm for eksperimentel bekræftelse af effekten. Cherenkov havde først bemærket effekten i 1934, da en flaske vand udsat for stråling glødet med blåt lys. Selvom det ikke blev observeret før i det 20. århundrede og ikke forklaret, indtil Einstein foreslog sin specielle teori Relativitet, Cherenkov-stråling var blevet forudsagt af den engelske polymat Oliver Heaviside som teoretisk muligt i 1888.

Lysets hastighed i et vakuum i en konstant (c), men alligevel er hastigheden, hvormed lys bevæger sig gennem et medium mindre end c, så det er muligt for partikler at rejse gennem mediet hurtigere end lys, men alligevel stadig langsommere end lysets hastighed. Normalt er den pågældende partikel en elektron. Når et energisk elektron passerer gennem et dielektrisk medium, forstyrres det elektromagnetiske felt og polariseres elektrisk. Mediet kan dog kun reagere så hurtigt, så der er en forstyrrelse eller sammenhængende stødbølger tilbage i kølvandet på partiklen. Et interessant træk ved Cherenkov-stråling er, at det mest er i det ultraviolette spektrum, ikke lyse blå, men alligevel danner det et kontinuerligt spektrum (i modsætning til emissionsspektre, som har spektralt toppe).

Når Cherenkov-stråling passerer gennem vandet, bevæger de ladede partikler sig hurtigere, end lys kan gennem dette medium. Så det lys, du ser, har en højere frekvens (eller kortere bølgelængde) end den sædvanlige bølgelængde. Da der er mere lys med en kort bølgelængde, vises lyset blåt. Men hvorfor er der overhovedet ikke noget lys? Det er fordi den hurtigt bevægende ladede partikel begejstrer vandmolekylernes elektroner. Disse elektroner optager energi og frigiver den som fotoner (lys), når de vender tilbage til ligevægt. Normalt annullerer nogle af disse fotoner hinanden (destruktiv interferens), så du ikke ville se en glød. Men når partiklen bevæger sig hurtigere, end lys kan rejse gennem vandet, producerer chokbølgen konstruktiv interferens, som du ser som en glød.

Cherenkov-stråling er god til mere end bare at få dit vand til at skinne blåt i et atomlaboratorium. I en reaktor af pooltypen kan mængden af ​​blå glød bruges til at måle radioaktiviteten af ​​brugte brændstofstænger. Strålingen bruges i partikelfysikforsøg for at hjælpe med at identificere arten af ​​de partikler, der undersøges. Det bruges til medicinsk billeddannelse og til at mærke og spore biologiske molekyler for bedre at forstå kemiske veje. Cherenkov-stråling produceres, når kosmiske stråler og ladede partikler interagerer med jordens atmosfære, så detektorer er det bruges til at måle disse fænomener, til at detektere neutrinoer og til at studere gammastråleemitterende astronomiske objekter, såsom supernova rester.

• Cherenkov-stråling kan forekomme i et vakuum, ikke kun i et medium som vand. I et vakuum falder en bølges faserhastighed, men alligevel forbliver den ladede partikelhastighed tættere på (dog mindre end) lysets hastighed. Dette har en praktisk anvendelse, da det bruges til at producere mikrobølger med høj effekt.
• Hvis relativistiske ladede partikler rammer det menneskelige øjes glasagtige humor, kan der ses glimt af Cherenkov-stråling. Dette kan forekomme ved udsættelse for kosmiske stråler eller i en atomulykkeulykke.