Varför vattnet i en kärnreaktor lyser blått

I science fiction-filmer lyser alltid kärnreaktorer och kärnmaterial. Medan filmer använder specialeffekter är glödet baserat på vetenskapligt faktum. Till exempel glöder vattnet som omger kärnreaktorer ljusblått! Hur fungerar det? Det beror på fenomenet Cherenkov Radiation.

Vad är Cherenkov-strålning? I huvudsak är det som en sonisk bom, utom med ljus istället för ljud. Cherenkov-strålning definieras som den elektromagnetiska strålningen avges när en laddad partikel rör sig genom ett dielektriskt medium snabbare än ljusets hastighet i mediet. Effekten kallas också Vavilov-Cherenkov-strålning eller Cerenkov-strålning.

Den är uppkallad efter den sovjetiska fysikern Pavel Alekseyevich Cherenkov, som fick Nobelpriset i fysik 1958, tillsammans med Ilya Frank och Igor Tamm, för experimentell bekräftelse av effekten. Cherenkov hade först märkt effekten 1934, då en flaska vatten utsatt för strålning som strålar med blått ljus. Även om det inte observerades förrän 1900-talet och inte förklarats förrän Einstein föreslog sin specialteori Relativitet, Cherenkov-strålning hade förutses av den engelska polymaten Oliver Heaviside som teoretiskt möjligt 1888.

Ljusets hastighet i ett vakuum i en konstant (c), men ändå är hastigheten med ljus som rör sig genom ett medium mindre än c, så det är möjligt för partiklar att resa genom mediet snabbare än ljus, men ändå långsammare än ljusets hastighet. Vanligtvis är den aktuella partikeln en elektron. När en energisk elektron passerar genom ett dielektriskt medium störs det elektromagnetiska fältet och polariseras elektriskt. Mediet kan dock bara reagera så snabbt, så det finns en störning eller sammanhängande chockvåg kvar i partikelns kölvattnet. Ett intressant drag i Cherenkov-strålningen är att det mestadels är i det ultravioletta spektrumet, inte ljusblå, men ändå bildar det ett kontinuerligt spektrum (till skillnad från emissionsspektra, som har spektralt toppar).

När Cherenkov-strålningen passerar genom vattnet, reser de laddade partiklarna snabbare än ljus kan genom det mediet. Så ljuset du ser har en högre frekvens (eller kortare våglängd) än den vanliga våglängden. Eftersom det finns mer ljus med en kort våglängd verkar ljuset blått. Men varför finns det något ljus alls? Det beror på att den snabbt rörliga laddade partikeln väcker elektronerna i vattenmolekylerna. Dessa elektroner absorberar energi och släpper den som fotoner (ljus) när de återgår till jämvikt. Vanligtvis skulle några av dessa fotoner avbryta varandra (destruktiv interferens), så att du inte skulle se en glöd. Men när partikeln rör sig snabbare än ljus kan färdas genom vattnet ger chockvågen konstruktiva störningar som du ser som en glöd.

Cherenkov-strålning är bra för mer än bara att göra ditt vatten glödblått i ett kärnkraftslaboratorium. I en reaktor av pooltyp kan mängden blå glöd användas för att mäta radioaktiviteten hos förbrukade bränslestavar. Strålningen används i partikelfysikförsök för att identifiera arten av partiklarna som undersöks. Det används vid medicinsk avbildning och för att märka och spåra biologiska molekyler för att bättre förstå kemiska vägar. Cherenkov-strålning produceras när kosmiska strålar och laddade partiklar interagerar med jordens atmosfär, så detektorer är det används för att mäta dessa fenomen, för att upptäcka neutrinoer och för att studera gammastråleutsända astronomiska föremål, såsom supernova lämningar.

• Cherenkov-strålning kan uppstå i ett vakuum, inte bara i ett medium som vatten. I ett vakuum minskar en vågs fashastighet, men ändå är den laddade partikelhastigheten närmare (men mindre än) ljusets hastighet. Detta har en praktisk tillämpning eftersom den används för att producera mikrovågor med hög effekt.
• Om relativistiska laddade partiklar träffar det mänskliga ögats glasögon kan kollisioner av Cherenkov-strålning ses. Detta kan uppstå genom exponering för kosmiska strålar eller i en kärnkraftsolycka.