Защо водата в ядрен реактор свети синьо

В научнофантастичните филми ядрените реактори и ядрените материали винаги светят. Докато филмите използват специални ефекти, блясъкът се основава на научен факт. Например водата около ядрените реактори всъщност свети ярко синьо! Как работи? Това се дължи на феномена, наречен радиация Черенков.

Какво е радиацията на Черенков? По същество това е като звуков бум, освен със светлина вместо звук. Черенков радиация се определя като електромагнитното излъчване излъчван, когато заредена частица се движи през диелектрична среда по-бързо от скоростта на светлината в средата. Ефектът се нарича още Вавилов-Черенков радиация или Черенков радиация.

Тя е кръстена на съветския физик Павел Алексеевич Черенков, който получи Нобеловата награда за физика през 1958 г., заедно с Иля Франк и Игор Там, за експериментално потвърждение на ефекта. Черенков за първи път забеляза ефекта през 1934 г., когато бутилка вода изложени на радиация, светеща със синя светлина. Въпреки че не се наблюдава до 20-ти век и не се обяснява, докато Айнщайн не предложи теорията си за специални относителност, радиацията на Черенков беше предсказана от английския полимат Оливър Хевисайд, колкото е теоретично възможно през 1888г.

Скоростта на светлината във вакуум в константа (с), но скоростта, с която светлината преминава през среда, е по-малко от c, така че е възможно частиците да преминават през средата по-бързо от светлината, но все пак по-бавно отколкото скоростта на светлината. Обикновено въпросната частица е електрон. Когато енергиен електрон преминава през диелектрична среда, електромагнитното поле се нарушава и електрически се поляризира. Средата може да реагира само толкова бързо, така че има вълна или кохерентна ударна вълна след оставянето на частицата. Една интересна особеност на радиацията на Черенков е, че тя е най-вече в ултравиолетовия спектър, не ярко синьо, но образува непрекъснат спектър (за разлика от емисионните спектри, които имат спектрален спектър върхове).

Докато радиацията на Черенков преминава през водата, заредените частици пътуват по-бързо, отколкото светлината може през тази среда. Така че светлината, която виждате, има по-висока честота (или по-къса дължина на вълната) от обичайната дължина на вълната. Тъй като има повече светлина с къса дължина на вълната, светлината изглежда синя. Но защо изобщо има светлина? Това е така, защото бързо движещата се заредена частица възбужда електроните на водните молекули. Тези електрони абсорбират енергия и я отделят като фотони (светлина), докато се върнат в равновесие. Обикновено някои от тези фотони биха се отменили взаимно (разрушителна интерференция), така че няма да видите сияние. Но когато частицата пътува по-бързо, отколкото светлината може да пътува през водата, ударната вълна произвежда конструктивни смущения, които виждате като сияние.

Радиацията на Черенков е полезна за нещо повече от това да си направите сияние на водата синьо в ядрена лаборатория. В реактор тип басейн, количеството синьо сияние може да се използва за измерване на радиоактивността на пръчките за отработено гориво. Излъчването се използва в експериментите по физика на частици, за да помогне да се идентифицира естеството на изследваните частици. Използва се при медицински изображения и за маркиране и проследяване на биологични молекули, за да се разберат по-добре химичните пътища. Черенковското излъчване се произвежда, когато космическите лъчи и заредените частици взаимодействат с земната атмосфера, така че са детектори използва се за измерване на тези явления, за откриване на неутрино и за изучаване на гама-излъчващи астрономически обекти, като свръхнова останки.

• Черенков радиация може да възникне във вакуум, а не само в среда като вода. Във вакуум фазовата скорост на вълната намалява, но скоростта на заредените частици остава по-близка до (все пак по-малка от) скоростта на светлината. Това има практическо приложение, тъй като се използва за производство на микровълни с висока мощност.
• Ако релативистично заредени частици ударят стъкловидното чувство на човешкото око, може да се видят проблясъци на Черенков радиация. Това може да се случи от излагане на космически лъчи или при авария с ядрена критичност.