Waarom het water in een kernreactor blauw oplicht

In sciencefictionfilms gloeien kernreactoren en nucleaire materialen altijd. Terwijl films speciale effecten gebruiken, is de gloed gebaseerd op wetenschappelijk feit. Zo gloeit het water rond kernreactoren eigenlijk felblauw! Hoe werkt het? Het komt door het fenomeen dat Cherenkov-straling wordt genoemd.

Wat is Cherenkov-straling? In wezen is het als een sonische knal, behalve met licht in plaats van geluid. Cherenkov-straling wordt gedefinieerd als de elektromagnetische straling uitgezonden wanneer een geladen deeltje sneller door een diëlektrisch medium beweegt dan de lichtsnelheid in het medium. Het effect wordt ook Vavilov-Cherenkov-straling of Cerenkov-straling genoemd.

Het is genoemd naar de Sovjetfysicus Pavel Alekseyevich Cherenkov, die samen met Ilya Frank en Igor Tamm de Nobelprijs voor de natuurkunde 1958 ontving, voor experimentele bevestiging van het effect. Cherenkov had het effect voor het eerst opgemerkt in 1934, toen een fles water blootgesteld aan straling gloeide met blauw licht. Hoewel niet waargenomen tot de 20e eeuw en niet uitgelegd totdat Einstein zijn speciale theorie voorstelde relativiteit, Cherenkov-straling was door de Engelse polymath Oliver Heaviside voorspeld als theoretisch mogelijk in 1888.

De lichtsnelheid in een vacuüm in een constante (c), maar de snelheid waarmee licht door een medium reist is minder dan c, dus het is mogelijk dat deeltjes sneller dan licht, maar toch langzamer door het medium reizen dan de lichtsnelheid. Meestal is het betreffende deeltje een elektron. Wanneer een energetisch elektron door een diëlektrisch medium gaat, wordt het elektromagnetische veld verstoord en elektrisch gepolariseerd. Het medium kan echter maar zo snel reageren, dus er blijft een storing of coherente schokgolf over in het kielzog van het deeltje. Een interessant kenmerk van Cherenkov-straling is dat het vooral in het ultraviolette spectrum zit, niet helderblauw, maar toch vormt het een continu spectrum (in tegenstelling tot emissiespectra, die spectraal hebben pieken).

Terwijl Cherenkov-straling door het water gaat, reizen de geladen deeltjes sneller dan licht door dat medium. Het licht dat je ziet heeft dus een hogere frequentie (of kortere golflengte) dan de gebruikelijke golflengte. Doordat er meer licht is met een korte golflengte, lijkt het licht blauw. Maar waarom is er überhaupt licht? Het komt omdat het snel bewegende geladen deeltje de elektronen van de watermoleculen exciteert. Deze elektronen absorberen energie en geven deze af als fotonen (licht) wanneer ze terugkeren naar het evenwicht. Normaal gesproken zouden sommige van deze fotonen elkaar opheffen (destructieve interferentie), dus je zou geen gloed zien. Maar wanneer het deeltje sneller reist dan het licht door het water kan reizen, veroorzaakt de schokgolf constructieve interferentie die je als een gloed ziet.

Cherenkov-straling is goed voor meer dan alleen je water blauw laten gloeien in een nucleair laboratorium. In een reactor van het zwembadtype kan de hoeveelheid blauwe gloed worden gebruikt om de radioactiviteit van verbruikte splijtstofstaven te meten. De straling wordt gebruikt in experimenten met deeltjesfysica om de aard van de onderzochte deeltjes te helpen identificeren. Het wordt gebruikt in medische beeldvorming en om biologische moleculen te labelen en te traceren om chemische routes beter te begrijpen. Cherenkov-straling wordt geproduceerd wanneer kosmische straling en geladen deeltjes interageren met de atmosfeer van de aarde, dus detectoren wel gebruikt om deze verschijnselen te meten, neutrino's te detecteren en astronomische objecten die gammastralen uitzenden, zoals supernova, te bestuderen restanten.

• Cherenkov-straling kan in een vacuüm voorkomen, niet alleen in een medium zoals water. In een vacuüm neemt de fasesnelheid van een golf af, maar blijft de snelheid van de geladen deeltjes dichter bij (maar minder dan) de lichtsnelheid. Dit heeft een praktische toepassing, omdat het wordt gebruikt om krachtige magnetrons te produceren.
• Als relativistisch geladen deeltjes de glasachtige humor van het menselijk oog raken, kunnen flitsen van Cherenkov-straling worden waargenomen. Dit kan gebeuren door blootstelling aan kosmische straling of door een ongeval met nucleaire kritikaliteit.