מדוע המים בכור גרעיני זוהרים בכחול

בסרטי מדע בדיוני, כורים גרעיניים וחומרים גרעיניים תמיד זוהרים. בעוד שסרטים משתמשים באפקטים מיוחדים, הזוהר מבוסס על עובדה מדעית. לדוגמא, המים הסובבים את הכורים הגרעיניים אכן זוהרים בכחול בהיר! איך זה עובד? זה נובע מהתופעה שנקראת קרינת צ'רנקוב.

מהי קרינת צ'רנקוב? בעיקרו של דבר, זה כמו בום קולני, למעט עם אור במקום צליל. קרינת צ'רנקוב מוגדרת כ הקרינה האלקטרומגנטית הנפלט כאשר חלקיק טעון נע דרך מדיום דיאלקטרי מהר יותר ממהירות האור במדיום. ההשפעה נקראת גם קרינת Vavilov-Cherenkov או קרינת Cerenkov.

זה נקרא על שם הפיזיקאי הסובייטי פאבל אלכסייביץ 'צ'רנקוב, שקיבל את פרס נובל לפיזיקה משנת 1958, יחד עם איליה פרנק ואיגור תם, על אישור ניסיוני להשפעה. צ'רנקוב הבחין לראשונה בהשפעה בשנת 1934, אז בקבוק מים חשוף לקרינה זוהרת באור כחול. אם כי לא נצפה עד המאה העשרים ולא הוסבר עד שאינשטיין הציע את תיאוריית המיוחד שלו תורת היחסות, קרינת צ'רנקוב ניבאה על ידי הפולימאת האנגלית אוליבר הייוויסייד ככל שניתן תיאורטית בשנת 1888.

מהירות האור בוואקום במצב קבוע (ג), ובכל זאת המהירות בה האור עובר דרך מדיום היא פחות מ- C, כך שאפשר לחלקיקים לעבור דרך המדיום מהר יותר מאור, ובכל זאת לאט יותר

כאשר קרינת צ'רנקוב עוברת במים, החלקיקים הטעונים נעים מהר יותר מכפי שאור יכול לעבור דרך אותו מדיום. אז, האור שאתה רואה יש תדר גבוה יותר (או אורך גל קצר יותר) מאורך הגל הרגיל. מכיוון שיש יותר אור עם אורך גל קצר, האור נראה כחול. אבל, מדוע בכלל אין אור? הסיבה לכך היא שהחלקיק הטעון במהירות מרגש את האלקטרונים של מולקולות המים. אלקטרונים אלה סופגים אנרגיה ומשחררים אותה כפוטונים (אור) כשחוזרים לשיווי משקל. בדרך כלל, חלק מהפוטונים האלה יבטלו זה את זה (הפרעה הרסנית), כך שלא תראו זוהר. עם זאת, כאשר החלקיק נוסע מהר יותר מכפי שאור יכול לעבור במים, גל ההלם מייצר הפרעות בונות שאתה רואה זוהר.

קרינת צ'רנקוב טובה ליותר מסתם להפוך את המים שלכם לכחולים במעבדה גרעינית. בכור מסוג בריכה ניתן להשתמש בכמות הזוהר הכחול כדי לאמוד את הרדיואקטיביות של מוטות דלק משומשים. הקרינה משמשת בניסויים בפיזיקת החלקיקים כדי לסייע בזיהוי אופי החלקיקים הנבדקים. הוא משמש בהדמיה רפואית ולתיוג ומעקב אחר מולקולות ביולוגיות להבנת מסלולי כימיה טובים יותר. קרינת צ'רנקוב מופקת כאשר קרניים קוסמיות וחלקיקים טעונים מקיימים אינטראקציה עם האטמוספרה של כדור הארץ, כך גם גלאים משמש למדידת תופעות אלה, לגילוי נייטרינים וללימוד חפצים אסטרונומיים פולטי קרני גאמה, כמו סופרנובה שאריות.

• קרינת צ'רנקוב יכולה להתרחש בוואקום ולא רק במדיום כמו מים. בוואקום, מהירות הפאזה של גל פוחתת, ובכל זאת מהירות החלקיקים הטעונים נותרה קרובה יותר (ועם זאת פחות ממהירות האור). יש לזה יישום מעשי, שכן הוא משמש לייצור מיקרוגלים בעלי הספק גבוה.
• אם חלקיקים טעונים רלטיביים פוגעים בהומור הזגוגי של העין האנושית, יתכן ויהיו הבזקים של קרינת צ'רנקוב. זה יכול להתרחש מחשיפה לקרניים קוסמיות או מתאונת ביקורת גרעינית.