Warum ist das Wasser in einem Kernreaktor blau? Cherenkov-Strahlung

In Science-Fiction-Filmen leuchten immer Kernreaktoren und Kernmaterialien. Während Filme Spezialeffekte verwenden, basiert das Leuchten auf wissenschaftlichen Fakten. Zum Beispiel leuchtet das Wasser, das die Kernreaktoren umgibt, tatsächlich hellblau! Wie funktioniert es? Es ist auf das Phänomen namens Cherenkov-Strahlung zurückzuführen.

Cherenkov-Strahlungsdefinition

Was ist Cherenkov-Strahlung? Im Grunde ist es wie ein Überschallknall, nur mit Licht statt Ton. Cherenkov-Strahlung ist definiert als die elektromagnetische Strahlung, die abgegeben wird, wenn sich ein geladenes Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt. Der Effekt wird auch als Vavilov-Cherenkov-Strahlung oder Cerenkov-Strahlung bezeichnet.

Es ist nach dem sowjetischen Physiker Pavel Alekseyevich Cherenkov benannt, der 1958 zusammen mit Ilya Frank und Igor Tamm den Nobelpreis für Physik erhielt, um den Effekt experimentell zu bestätigen. Cherenkov hatte den Effekt zum ersten Mal im Jahr 1934 bemerkt, als eine Flasche Wasser, die der Strahlung ausgesetzt war, mit blauem Licht glühte. Obwohl erst im 20. Jahrhundert beobachtet und erst erklärt, als Einstein seine spezielle Relativitätstheorie vorschlug, war die Cherenkov-Strahlung von dem englischen Polymath Oliver Heaviside im Jahr 1888 als theoretisch möglich vorausgesagt worden.

Wie die Cherenkov-Strahlung funktioniert

Die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum in einer Konstanten (c), aber die Geschwindigkeit, mit der sich Licht durch ein Medium bewegt, ist geringer als c, so dass Partikel schneller als Licht durch das Medium wandern können, aber immer noch langsamer als die Geschwindigkeit von Licht. Normalerweise ist das betreffende Teilchen ein Elektron. Wenn ein energetisches Elektron ein dielektrisches Medium passiert, wird das elektromagnetische Feld unterbrochen und elektrisch polarisiert. Das Medium kann jedoch nur so schnell reagieren, dass eine Störung oder eine kohärente Stoßwelle nach dem Partikel auftritt. Ein interessantes Merkmal der Cherenkov-Strahlung ist, dass sie hauptsächlich im ultravioletten Spektrum und nicht in hellem Blau vorliegt, jedoch ein kontinuierliches Spektrum bildet (im Gegensatz zu Emissionsspektren mit spektralen Peaks)..

Warum Wasser in einem Kernreaktor blau ist

Wenn Cherenkov-Strahlung durch das Wasser strömt, bewegen sich die geladenen Teilchen schneller als Licht durch dieses Medium. Das Licht, das Sie sehen, hat also eine höhere Frequenz (oder kürzere Wellenlänge) als die übliche Wellenlänge. Da es mehr Licht mit einer kurzen Wellenlänge gibt, erscheint das Licht blau. Aber warum gibt es überhaupt Licht? Dies liegt daran, dass das sich schnell bewegende geladene Teilchen die Elektronen der Wassermoleküle anregt. Diese Elektronen absorbieren Energie und setzen sie als Photonen (Licht) frei, wenn sie zum Gleichgewicht zurückkehren. Normalerweise heben sich einige dieser Photonen gegenseitig auf (destruktive Interferenz), sodass Sie kein Leuchten sehen. Wenn sich das Teilchen jedoch schneller fortbewegt, als Licht durch das Wasser wandern kann, erzeugt die Stoßwelle konstruktive Störungen, die Sie als Leuchten sehen.

Verwendung von Cherenkov-Strahlung

Cherenkov-Strahlung ist mehr als nur dafür gut, dass Ihr Wasser in einem Nuklearlabor blau leuchtet. In einem Beckenreaktor kann die Menge an blauem Glühen verwendet werden, um die Radioaktivität von abgebrannten Brennstäben zu messen. Die Strahlung wird in Teilchenphysik-Experimenten verwendet, um die Art der untersuchten Teilchen zu identifizieren. Es wird in der medizinischen Bildgebung verwendet, um biologische Moleküle zu kennzeichnen und zu verfolgen, um chemische Pfade besser zu verstehen. Cherenkov-Strahlung wird erzeugt, wenn kosmische Strahlen und geladene Teilchen mit der Erdatmosphäre interagieren. Daher werden Detektoren verwendet, um diese Phänomene zu messen, Neutrinos zu erkennen und Gammastrahlen emittierende astronomische Objekte wie Supernova-Überreste zu untersuchen.

Wissenswertes über die Cherenkov-Strahlung

  • Cherenkov-Strahlung kann im Vakuum auftreten, nicht nur in einem Medium wie Wasser. In einem Vakuum nimmt die Phasengeschwindigkeit einer Welle ab, die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen bleibt jedoch näher an der Lichtgeschwindigkeit (jedoch geringer als diese). Dies hat eine praktische Anwendung, da es zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Leistung verwendet wird.
  • Treffen relativistisch geladene Teilchen auf den Glaskörper des menschlichen Auges, können Blitze der Cherenkov-Strahlung sichtbar werden. Dies kann durch kosmische Strahlung oder durch einen nuklearen Kritikalitätsunfall geschehen.