Perché l'acqua blu è in un reattore nucleare? Radiazione di Cherenkov

Nei film di fantascienza, i reattori nucleari e i materiali nucleari brillano sempre. Mentre i film usano effetti speciali, il bagliore si basa su fatti scientifici. Ad esempio, l'acqua che circonda i reattori nucleari in realtà si illumina di un blu brillante! Come funziona? È dovuto al fenomeno chiamato radiazione Cherenkov.

Definizione di radiazione di Cherenkov

Che cos'è la radiazione Cherenkov? In sostanza, è come un boom sonico, tranne che con la luce invece del suono. La radiazione di Cherenkov è definita come la radiazione elettromagnetica emessa quando una particella carica si muove attraverso un mezzo dielettrico più velocemente della velocità della luce nel mezzo. L'effetto è anche chiamato radiazione Vavilov-Cherenkov o radiazione di Cerenkov.

Prende il nome dal fisico sovietico Pavel Alekseyevich Cherenkov, che ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1958, insieme a Ilya Frank e Igor Tamm, per la conferma sperimentale dell'effetto. Cherenkov aveva notato per la prima volta l'effetto nel 1934, quando una bottiglia d'acqua esposta alle radiazioni brillava di luce blu. Sebbene non osservato fino al 20 ° secolo e non spiegato fino a quando Einstein non propose la sua teoria della relatività speciale, la radiazione di Cherenkov era stata predetta dal polimero inglese Oliver Heaviside come teoricamente possibile nel 1888.

Come funziona la radiazione di Cherenkov

La velocità della luce nel vuoto in una costante (c), tuttavia la velocità alla quale la luce viaggia attraverso un mezzo è inferiore a c, quindi è possibile che le particelle viaggino attraverso il mezzo più velocemente della luce, eppure più lentamente della velocità di leggero. Di solito, la particella in questione è un elettrone. Quando un elettrone energetico passa attraverso un mezzo dielettrico, il campo elettromagnetico viene interrotto e polarizzato elettricamente. Il mezzo può reagire solo così rapidamente, quindi c'è un disturbo o un'onda d'urto coerente lasciata sulla scia della particella. Una caratteristica interessante della radiazione di Cherenkov è che si trova principalmente nello spettro ultravioletto, non in blu brillante, eppure forma uno spettro continuo (a differenza degli spettri di emissione, che hanno picchi spettrali).

Perché l'acqua in un reattore nucleare è blu

Mentre la radiazione di Cherenkov passa attraverso l'acqua, le particelle cariche viaggiano più velocemente della luce attraverso quel mezzo. Quindi, la luce che vedi ha una frequenza maggiore (o una lunghezza d'onda più corta) della normale lunghezza d'onda. Poiché c'è più luce con una lunghezza d'onda corta, la luce appare blu. Ma perché c'è della luce? È perché la particella carica in rapido movimento eccita gli elettroni delle molecole d'acqua. Questi elettroni assorbono energia e la rilasciano come fotoni (luce) mentre ritornano all'equilibrio. Di solito, alcuni di questi fotoni si annullano a vicenda (interferenze distruttive), quindi non si vede un bagliore. Ma quando la particella viaggia più veloce della luce che può viaggiare attraverso l'acqua, l'onda d'urto produce interferenze costruttive che vedi come un bagliore.

Uso della radiazione di Cherenkov

Le radiazioni di Cherenkov sono utili solo per rendere la tua acqua blu in un laboratorio nucleare. In un reattore di tipo a piscina, la quantità di bagliore blu può essere utilizzata per misurare la radioattività delle barre di combustibile esaurito. La radiazione viene utilizzata negli esperimenti di fisica delle particelle per aiutare a identificare la natura delle particelle in esame. È usato nell'imaging medico e per etichettare e tracciare molecole biologiche per comprendere meglio i percorsi chimici. La radiazione di Cherenkov viene prodotta quando i raggi cosmici e le particelle cariche interagiscono con l'atmosfera terrestre, quindi i rivelatori vengono utilizzati per misurare questi fenomeni, rilevare neutrini e studiare oggetti astronomici che emettono raggi gamma, come i resti di supernova.

Fatti divertenti sulla radiazione di Cherenkov

• Le radiazioni di Cherenkov possono verificarsi nel vuoto, non solo in un mezzo come l'acqua. In un vuoto, la velocità di fase di un'onda diminuisce, tuttavia la velocità delle particelle cariche rimane più vicina (ma inferiore a) alla velocità della luce. Questa ha un'applicazione pratica, in quanto viene utilizzata per produrre microonde ad alta potenza.
• Se le particelle cariche relativistiche colpiscono l'umor vitreo dell'occhio umano, si possono vedere lampi di radiazione di Cherenkov. Ciò può verificarsi a seguito dell'esposizione ai raggi cosmici o in un incidente di criticità nucleare.