Почему вода в ядерном реакторе светится синим

В фантастических фильмах ядерные реакторы и ядерные материалы всегда светятся. В то время как фильмы используют специальные эффекты, свечение основано на научных фактах. Например, вода, окружающая ядерные реакторы, на самом деле светится ярко-синим цветом! Как это работает? Это связано с явлением, называемым черенковским излучением.

Что такое черенковское излучение? По сути, это похоже на звуковой бум, за исключением света вместо звука. Черенковское излучение определяется как электромагнитное излучение испускается, когда заряженная частица движется через диэлектрическую среду быстрее, чем скорость света в среде. Эффект также называют излучением Вавилова-Черенкова или излучением Черенкова.

Он назван в честь советского физика Павла Алексеевича Черенкова, который получил Нобелевскую премию по физике 1958 года вместе с Ильей Франком и Игорем Таммом за экспериментальное подтверждение эффекта. Черенков впервые заметил эффект в 1934 году, когда бутылка воды подвергается воздействию излучения, светящегося синим светом. Хотя не наблюдал до 20-го века и не объяснил, пока Эйнштейн не предложил свою теорию особого относительность, черенковское излучение было предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом как теоретически возможное в 1888 году.

Скорость света в вакууме постоянна (с), но скорость, с которой свет проходит через среду, равна меньше, чем с, поэтому частицы могут перемещаться в среде быстрее, чем свет, но все же медленнее чем скорость света. Обычно рассматриваемая частица является электроном. Когда энергичный электрон проходит через диэлектрическую среду, электромагнитное поле нарушается и электрически поляризуется. Однако среда может реагировать только так быстро, поэтому в следе частицы остаются возмущение или когерентная ударная волна. Одна интересная особенность черенковского излучения состоит в том, что оно в основном в ультрафиолетовом спектре, а не ярко-синий, но он образует непрерывный спектр (в отличие от спектров излучения, которые имеют спектральный пики).

Когда черенковское излучение проходит через воду, заряженные частицы движутся быстрее, чем свет может через эту среду. Таким образом, свет, который вы видите, имеет более высокую частоту (или более короткую длину волны) чем обычная длина волны. Поскольку на короткой длине волны больше света, он кажется синим. Но зачем вообще свет? Это потому, что быстро движущаяся заряженная частица возбуждает электроны молекул воды. Эти электроны поглощают энергию и высвобождают ее в виде фотонов (света), когда они возвращаются к равновесию. Обычно, некоторые из этих фотонов подавляют друг друга (разрушительное вмешательство), поэтому вы не увидите свечения. Но когда частица движется быстрее, чем свет может пройти через воду, ударная волна создает конструктивные помехи, которые вы видите как свечение.

Черенковское излучение полезно не только для того, чтобы ваша ядерная лаборатория светилась голубым светом. В реакторе бассейнового типа количество синего свечения можно использовать для измерения радиоактивности отработавших топливных стержней. Излучение используется в экспериментах по физике элементарных частиц, чтобы помочь идентифицировать природу исследуемых частиц. Он используется в медицинской визуализации и для маркировки и отслеживания биологических молекул для лучшего понимания химических путей. Черенковское излучение возникает, когда космические лучи и заряженные частицы взаимодействуют с атмосферой Земли, поэтому детекторы используется для измерения этих явлений, для обнаружения нейтрино и для изучения гамма-излучающих астрономических объектов, таких как сверхновая остатки.

• Черенковское излучение может возникать в вакууме, а не только в такой среде, как вода. В вакууме фазовая скорость волны уменьшается, но скорость заряженной частицы остается ближе (но меньше) скорости света. Это имеет практическое применение, так как используется для производства мощных микроволн.
• Если релятивистские заряженные частицы попадают в стекловидное тело человека, могут наблюдаться вспышки черенковского излучения. Это может произойти из-за воздействия космических лучей или аварии с ядерной критичностью.