Waarom zit het water blauw in een kernreactor? Cherenkov straling

In sciencefictionfilms gloeien kernreactoren en nucleair materiaal altijd. Terwijl films speciale effecten gebruiken, is de gloed gebaseerd op wetenschappelijke feiten. Het water rondom kernreactoren gloeit bijvoorbeeld echt helderblauw! Hoe werkt het? Het is te wijten aan het fenomeen genaamd Cherenkov-straling.

Cherenkov Stralingsdefinitie

Wat is Cherenkov-straling? In wezen is het als een sonische knal, behalve met licht in plaats van geluid. Cherenkov-straling wordt gedefinieerd als de elektromagnetische straling die wordt uitgezonden wanneer een geladen deeltje sneller door een diëlektrisch medium beweegt dan de lichtsnelheid in het medium. Het effect wordt ook Vavilov-Cherenkov-straling of Cerenkov-straling genoemd.

Het is vernoemd naar de Sovjetfysicus Pavel Alekseyevich Cherenkov, die samen met Ilya Frank en Igor Tamm de Nobelprijs voor de natuurkunde 1958 ontving voor experimentele bevestiging van het effect. Cherenkov had het effect voor het eerst opgemerkt in 1934, toen een fles water blootgesteld aan straling gloeide met blauw licht. Hoewel niet waargenomen tot de 20e eeuw en niet uitgelegd totdat Einstein zijn theorie van speciale relativiteitstheorie voorstelde, was Cherenkov-straling voorspeld door de Engelse polymath Oliver Heaviside als theoretisch mogelijk in 1888.

Hoe Cherenkov straling werkt

De lichtsnelheid in een vacuüm in een constante (c), maar de snelheid waarmee licht door een medium reist, is minder dan c, dus het is mogelijk dat deeltjes sneller door het medium reizen dan licht, maar nog steeds langzamer dan de snelheid van licht. Gewoonlijk is het deeltje in kwestie een elektron. Wanneer een energetisch elektron door een diëlektrisch medium passeert, wordt het elektromagnetische veld verstoord en elektrisch gepolariseerd. Het medium kan echter alleen zo snel reageren, dus er is een storing of coherente schokgolf over in de nasleep van het deeltje. Een interessant kenmerk van Cherenkov-straling is dat het meestal in het ultraviolette spectrum is, niet helderblauw, maar toch een continu spectrum vormt (in tegenstelling tot emissiespectra, die spectrale pieken hebben).

Waarom water in een kernreactor blauw is

Terwijl Cherenkov-straling door het water stroomt, reizen de geladen deeltjes sneller dan licht door dat medium. Het licht dat u ziet, heeft dus een hogere frequentie (of kortere golflengte) dan de gebruikelijke golflengte. Omdat er meer licht is met een korte golflengte, lijkt het licht blauw. Maar waarom is er überhaupt licht? Het is omdat het snel bewegende geladen deeltje de elektronen van de watermoleculen exciteert. Deze elektronen absorberen energie en geven deze als fotonen (licht) vrij als ze terugkeren naar het evenwicht. Gewoonlijk zouden sommige van deze fotonen elkaar opheffen (destructieve interferentie), zodat u geen gloed zou zien. Maar wanneer het deeltje sneller reist dan licht door het water kan reizen, produceert de schokgolf constructieve interferentie die u als een gloed ziet.

Gebruik van Cherenkov-straling

Cherenkov-straling is goed voor meer dan alleen je water blauw laten gloeien in een nucleair laboratorium. In een zwembadreactor kan de hoeveelheid blauwe gloed worden gebruikt om de radioactiviteit van verbruikte splijtstofstaven te meten. De straling wordt gebruikt in deeltjesfysica-experimenten om de aard van de onderzochte deeltjes te helpen identificeren. Het wordt gebruikt in medische beeldvorming en om biologische moleculen te labelen en te traceren om chemische routes beter te begrijpen. Cherenkov-straling wordt geproduceerd wanneer kosmische straling en geladen deeltjes interageren met de atmosfeer van de aarde, dus detectoren worden gebruikt om deze fenomenen te meten, neutrino's te detecteren en astronomische objecten die gammastralen uitzenden, zoals supernova-restanten, te bestuderen.

Leuke weetjes over Cherenkov-straling

• Cherenkov-straling kan in een vacuüm voorkomen, niet alleen in een medium zoals water. In een vacuüm neemt de fasesnelheid van een golf af, maar de snelheid van de geladen deeltjes blijft dichter bij (maar minder dan) de snelheid van het licht. Dit heeft een praktische toepassing, omdat het wordt gebruikt voor het produceren van krachtige microgolven.
• Als relativistische geladen deeltjes de glasachtige humor van het menselijk oog raken, kunnen flitsen van Cherenkov-straling worden gezien. Dit kan gebeuren door blootstelling aan kosmische straling of bij een ongeval met nucleaire kriticiteit.