Miksi ydinreaktorin vesi hehkuu sinisenä

Tieteiselokuvissa elokuvat ydinreaktorit ja ydinmateriaalit aina hehkuvat. Vaikka elokuvat käyttävät erikoistehosteita, hehku perustuu tieteelliseen tosiasiaan. Esimerkiksi ydinreaktoria ympäröivä vesi hehkuu todella kirkkaansinisenä! Kuinka se toimii? Se johtuu ilmiöstä nimeltä Cherenkov-säteily.

Mikä on Cherenkov-säteily? Pohjimmiltaan se on kuin äänipuomi, paitsi valolla äänen sijasta. Cherenkov-säteily määritellään sähkömagneettinen säteily säteily, kun varautunut hiukkanen liikkuu dielektrisen väliaineen läpi nopeammin kuin väliaineen valon nopeus. Vaikutus on myös nimeltään Vavilov-Cherenkov säteily tai Cerenkov säteily.

Se on nimetty Neuvostoliiton fyysikon Pavel Aleksejevitš Cherenkovin mukaan, joka sai vuoden 1958 fysiikan Nobel-palkinnon yhdessä Ilja Frankin ja Igor Tammin kanssa vaikutuksen kokeellisesta vahvistamisesta. Cherenkov oli huomannut vaikutuksen ensimmäisen kerran vuonna 1934, jolloin pullollinen vettä alttiina sinisen valon hehkulle säteilylle. Vaikka sitä ei havaittu vasta 1900-luvulla eikä sitä selitetä ennen kuin Einstein ehdotti teoriaansa erityisestä suhteellisuusteoria, englantilainen polymath Oliver Heaviside oli ennustanut Cherenkov-säteilyn teoreettisesti mahdollista vuonna 1888.

Valon nopeus tyhjössä vakiona (c), mutta nopeus, jolla valo kulkee väliaineen läpi, on alle c, joten hiukkasten on mahdollista kulkea väliaineen läpi valoa nopeammin, mutta silti hitaammin kuin valon nopeus. Yleensä kyseinen hiukkanen on elektroni. Kun energinen elektroni kulkee dielektrisen väliaineen läpi, sähkömagneettinen kenttä hajoaa ja polarisoituu sähköisesti. Väliaine voi reagoida vain niin nopeasti, mutta hiukkasen jälkeen on jäljellä häiriö tai koherentti iskuaalto. Yksi mielenkiintoinen piirre Cherenkov-säteilylle on, että se on enimmäkseen ultraviolettipektrissä, ei kirkkaan sininen, mutta se muodostaa jatkuvan spektrin (toisin kuin päästöspektrit, joilla on spektri piikit).

Kun Cherenkov-säteily kulkee veden läpi, varautuneet hiukkaset kulkevat nopeammin kuin valo voi väliaineen läpi. Joten näkemäsi valo on korkeammalla taajuudella (tai lyhyemmällä aallonpituudella) kuin tavallinen aallonpituus. Koska valoa on enemmän lyhyellä aallonpituudella, valo näyttää siniseltä. Mutta miksi siellä on ollenkaan valoa? Se johtuu siitä, että nopeasti liikkuvat varautuneet hiukkaset herättävät vesimolekyylien elektronit. Nämä elektronit absorboivat energiaa ja vapauttavat sen fotonina (valona) palautuessaan tasapainoon. Tavallisesti jotkut näistä fotoneista poistavat toisiaan (tuhoavat häiriöt), joten et näe hehkua. Mutta kun hiukkanen kulkee nopeammin kuin valo voi kulkea veden läpi, iskuaalto tuottaa rakentavia häiriöitä, jotka näet hehkua.

Cherenkov-säteily on hyödyllistä muutakin kuin vain veden hehkuvaksi siniseksi ydinlaboratoriossa. Allastyyppisessä reaktorissa sinisen hehkua voidaan käyttää käytetyn polttoaineen tankojen radioaktiivisuuden mittaamiseen. Säteilyä käytetään hiukkasfysiikan kokeissa auttamaan tunnistamaan tutkittavien hiukkasten luonne. Sitä käytetään lääketieteellisessä kuvantamisessa sekä biologisten molekyylien leimaamiseen ja jäljittämiseen kemiallisten reittien ymmärtämiseksi paremmin. Cherenkov-säteilyä syntyy, kun kosmiset säteet ja varautuneet hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa maan ilmakehän kanssa, joten ilmaisimet ovat käytetään mittaamaan näitä ilmiöitä, havaitsemaan neutriinoja ja tutkimaan gammasäteitä säteileviä tähtitieteellisiä kohteita, kuten supernoovaa jäänteitä.

• Cherenkov-säteily voi tapahtua tyhjiössä, ei vain sellaisessa väliaineessa kuin vesi. Tyhjiössä aallon vaihenopeus pienenee, mutta varautuneen hiukkasen nopeus pysyy lähempänä (kuitenkin vähemmän) valon nopeutta. Tällä on käytännöllinen sovellus, koska sitä käytetään tuottamaan suuritehoisia mikroaaltoja.
• Jos relativistiset varautuneet hiukkaset lyövät ihmisen silmän lasimaista huumoria, Cherenkov-säteily voi välähtää. Tämä voi tapahtua altistumiselta kosmisille säteille tai ydinkriittisyyttä aiheuttavassa onnettomuudessa.