لماذا يضيء الماء في مفاعل نووي باللون الأزرق

في أفلام الخيال العلمي ، تتوهج المفاعلات النووية والمواد النووية دائمًا. بينما تستخدم الأفلام تأثيرات خاصة ، يعتمد التوهج على الحقائق العلمية. على سبيل المثال ، الماء المحيط بالمفاعلات النووية يتوهج باللون الأزرق اللامع! كيف يعمل؟ ويرجع ذلك إلى ظاهرة تسمى إشعاع Cherenkov.

ما هو إشعاع Cherenkov؟ في الأساس ، إنها مثل طفرة صوتية ، باستثناء الضوء بدلاً من الصوت. يتم تعريف إشعاع Cherenkov على أنه الإشعاع الكهرومغناطيسي تنبعث عندما يتحرك جسيم مشحون عبر وسط عازل أسرع من سرعة الضوء في الوسط. يسمى التأثير أيضًا بإشعاع فافيلوف-شيرينكوف أو إشعاع سيرينكوف.

سميت على اسم الفيزيائي السوفياتي بافيل أليكسيفيتش شيرينكوف ، الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1958 ، مع إيليا فرانك وإيجور تام ، للتأكيد التجريبي على التأثير. لاحظ Cherenkov التأثير لأول مرة في عام 1934 ، عندما زجاجة ماء يتعرض للإشعاع متوهجة بالضوء الأزرق. على الرغم من عدم ملاحظته حتى القرن العشرين ولم يتم شرحه حتى اقترح آينشتاين نظريته الخاصة النسبية ، تنبأ إشعاع Cherenkov من قبل البوليميرات الإنجليزية أوليفر هيفيسايد بأنه ممكن نظريًا في عام 1888.

سرعة الضوء في الفراغ في ثابت (ج) ، ولكن السرعة التي ينتقل بها الضوء عبر وسيط هي أقل من c ، لذا من الممكن أن تنتقل الجسيمات عبر الوسط بشكل أسرع من الضوء ، ولكنها لا تزال أبطأ من سرعة الضوء. عادة ، الجسيمات المعنية هي إلكترون. عندما يمر إلكترون نشط من خلال وسط عازل ، يتعطل المجال الكهرومغناطيسي ويستقطب كهربائيًا. يمكن للوسيط أن يتفاعل بسرعة فقط ، على الرغم من ذلك ، هناك اضطراب أو موجة صدمة متماسكة متبقية في أعقاب الجسيم. إحدى السمات المثيرة للاهتمام لإشعاع Cherenkov هي أنه في الغالب في الطيف فوق البنفسجي ، وليس أزرق لامع ، لكنه يشكل طيفًا مستمرًا (على عكس أطياف الانبعاثات ، التي لها طيف القمم).

مع مرور إشعاع Cherenkov عبر الماء ، تنتقل الجسيمات المشحونة بشكل أسرع من الضوء من خلال تلك الوسيلة. لذا ، فإن الضوء الذي تراه له تردد أعلى (أو طول موجي أقصر) من الطول الموجي المعتاد. نظرًا لوجود مزيد من الضوء بطول موجة قصير ، يظهر الضوء باللون الأزرق. ولكن ، لماذا يوجد ضوء على الإطلاق؟ ذلك لأن الجسيمات المشحونة سريعة الحركة تثير إلكترونات جزيئات الماء. تمتص هذه الإلكترونات الطاقة وتطلقها على هيئة فوتونات (ضوء) عند عودتها إلى التوازن. عادة ، تلغي بعض هذه الفوتونات بعضها البعض (تدخل مدمر) ، لذلك لن ترى وهجًا. ولكن ، عندما ينتقل الجسيم بشكل أسرع من الضوء الذي يمكن أن ينتقل عبر الماء ، تنتج موجة الصدمة تداخلًا بنّاءًا ترى أنه توهج.

إن إشعاع Cherenkov جيد لأكثر من مجرد جعل ماءك يتوهج باللون الأزرق في مختبر نووي. في مفاعل من نوع التجمع ، يمكن استخدام كمية التوهج الأزرق لقياس النشاط الإشعاعي لقضبان الوقود المستهلك. يستخدم الإشعاع في تجارب فيزياء الجسيمات للمساعدة في تحديد طبيعة الجسيمات التي يتم فحصها. يتم استخدامه في التصوير الطبي ولوسم وتتبع الجزيئات البيولوجية لفهم المسارات الكيميائية بشكل أفضل. يتم إنتاج إشعاع Cherenkov عندما تتفاعل الأشعة الكونية والجسيمات المشحونة مع الغلاف الجوي للأرض ، لذلك تتفاعل أجهزة الكشف تستخدم لقياس هذه الظواهر ، لاكتشاف النيوترينوات ، ودراسة الأجسام الفلكية التي تنبعث منها أشعة جاما ، مثل المستعر الأعظم بقايا.

• يمكن أن يحدث إشعاع Cherenkov في فراغ ، وليس فقط في وسط مثل الماء. في الفراغ ، تنخفض سرعة طور الموجة ، ومع ذلك تظل سرعة الجسيمات المشحونة أقرب إلى (ولكن أقل من) سرعة الضوء. هذا له تطبيق عملي ، حيث يتم استخدامه لإنتاج موجات ميكروويف عالية الطاقة.
• إذا ضربت الجسيمات النسبية المشحونة النكتة الزجاجية للعين البشرية ، فقد تظهر ومضات إشعاع Cherenkov. يمكن أن يحدث هذا من التعرض للأشعة الكونية أو في حادث حرج نووي.