V sci-fi filmoch jadrové reaktory a materiály vždy žiaria. Kým vo filme na to musia použiť špeciálne efekty, žiara je naozaj založená na vedeckom fakte. Napríklad voda obkolesujúca jadrový reaktor naozaj žiari na modro! Ako to funguje? Tento jav sa nazýva Čerenkovovo žiarenie.

Definícia Čerenkovovho žiarenia

Čo je to Čerenkovovo žiarenie? V podstate je to aerodynamický tresk, ktorý namiesto zvuku vydáva svetlo.

Čerenkovovo žiarenie sa definuje ako elektromagnetické žiarenie, ktoré vzniká, keď sa nabité častice pohybujú cez dielektrické médium rýchlejšie ako svetlo v médiu. Efekt sa nazýva aj Vavilovovo-Čerenkovovo žiarenie alebo jednoducho Čerenkovovo žiarenie. Bol pomenovaný po sovietskom fyzikovi Pavlovi Aleksejevičovi Čerenkovovi, ktorý v roku 1958 získal spoločne s Iljom Frankom a Igorom Tammom Nobelovu cenu za experimentálne potvrdenie efektu. Čerenkov si efekt po prvýkrát všimol v roku 1934, keď spozoroval, že fľaša vody vystavená radiácii začala vydávať modrú žiaru. Napriek tomu, že bol tento jav reálne pozorovaný až v 20. storočí a nebol vysvetlený, kým Einstein neprišiel so svojou teóriou špeciálnej relativity, Čerenkovovo žiarenie ako teoreticky možné predpovedal anglický polyhistor Oliver Heaviside už v 1888.

Ako funguje Čerenkovovo žiarenie

Rýchlosť svetla vo vákuu je konštanta (c), ale rýchlosť, akou svetlo prechádza cez médium, je menšia ako c, preto je možné, aby častice prechádzali cez médium rýchlejšie ako svetlo, ale stále pomalšie ako rýchlosťou svetla.

Keď hovoríme o časticiach, máme zvyčajne na mysli elektróny. Keď nabitý elektrón prechádza cez dielektrické médium, naruší sa elektromagnetické pole a elektricky sa polarizuje. Médium dokáže reagovať len určitou rýchlosťou, takže v brázde častice sa vytvorí koherentná šoková vlna.

Zaujímavou črtou Čerenkovovho žiarenia je, že sa nachádza v ultrafialovom spektre, nikdy nie je žiarivo modré, a napriek tomu formuje kontinuálne spektrum (na rozdiel od emisných spektier, ktoré vždy obsahujú spektrálne vrcholy).

Prečo teda vidíme v reaktore modrú vodu?

Keď Čerenkovovo žiarenie prechádza vodou, nabité častice sa pohybujú cez médium rýchlejšie ako svetlo. Svetlo, ktoré vidíme, má preto vyššiu frekvenciu (alebo kratšiu vlnovú dĺžku), než je bežná vlnová dĺžka. A pretože v krátkej vlnovej dĺžke je viac svetla, svetlo sa javí ako modré.

Ale prečo tam to svetlo vôbec je? Pretože rýchlo sa pohybujúce nabité častice excitujú elektróny molekúl vody. Tieto elektróny absorbujú energiu a pri návrate do rovnováhy ju uvoľňujú vo forme fotónov (svetla). Bežne by sa niektoré z fotónov navzájom vyrušili (deštruktívna interferencia), a my by sme nevideli svetlo. Ale keď častica prechádza vodou rýchlejšie ako svetlo, šoková vlna produkuje konštruktívnu interferenciu, ktorú vidíme ako žiaru.

Použitie Čerenkovovho žiarenia

Čerenkovovo žiarenie nie je dobré len na to, aby sme vyrábali v jadrovom laboratóriu žiariacu vodu. V bazénových reaktoroch sa dá na základe intenzity modrej žiary merať rádioaktivita vyhorených palivových tyčí.

Žiarenie sa v experimentoch v časticovej fyzike využíva na identifikáciu povahy skúmanej častice. Používa sa aj v zdravotníckom zobrazovaní na označovanie a sledovanie biologických molekúl s cieľom lepšie pochopiť ich chemické dráhy. Čerenkovovo žiarenie vzniká, keď kozmické lúče a nabité častice vzájomne reagujú s atmosférou Zeme. Pomocou detektorov sa tento fenomén meria, detekujú sa neutrína, a študujú sa astronomické objekty, ktoré vydávajú gama žiarenie ako napr. zvyšky supernovy.

Vedeli ste, že…

Čerenkovovo žiarenie sa dá pozorovať aj vo vákuu, nie len v médiách, akými je voda. Vo vákuu sa zníži rýchlosť vĺn, ale rýchlosť nabitých častíc zostáva len o niečo málo nižšia ako rýchlosť svetla. Má to svoje praktické využitie: používa sa na výrobu vysokonapäťových mikrovĺn.

Záblesky Čerenkovovho žiarenia dajú sa pozorovať, aj keď sa relativistické nabité častice dostanú do kontaktu so sklovcom. Môže sa to stať pri zásahu kozmickým žiarením alebo počas jadrovej nehody.

Pozrite si Čerenkovovo žiarenie pri spustení reaktora: