Sudaki nükleer reaktör neden mavi parlar? Bilim kurgu filmlerindeki nükleer reaktörler ve nükleer materyaller her zaman parlar. Filmlerde özel efektler kullanılsa da bu parlama aslında bilimsel bir gerçeğe dayanıyor. Örneğin, nükleer reaktörleri çevreleyen su her zaman parlak mavi renkte görünür. Peki bu neden böyledir? Bu durum Çerenkov radyasyonu veya Çerenkov ışıması olarak tanımlanıyor.
Çerenkov Radyasyonu (Işıması) Nedir?
Çerenkov radyasyonu, yüklü bir parçacık dielektrik (yalıtkan) bir ortamda ortamdaki ışık hızından daha hızlı hareket ettiğinde açığa çıkan elektromanyetik radyasyon olarak tanımlanıyor. Çerenkov ışıması temelde bir ses patlaması gibidir ancak ses yerine patlayan şey ışıktır. Etkileşimin adı onu deneysel olarak kanıtlayan Sovyet fizikçi Pavel Alekseyevich Çerenkov'dan gelir.
Pavel bu buluşuyla Ilya Frank ve Igor Tamm ile birlikte 1958 Nobel Fizik Ödülü aldı. Çerenkov bu etkiyi ilk olarak 1934 yılında radyasyona maruz kalan şişedeki suyun mavi ışıkla parlaması sonucu fark etti. Bu radyasyon 20. yüzyıla dek gözlemlenmemiş ve Albert Einstein özel görelilik teorisini önerinceye kadar açıklanamamıştır. Buna rağmen İngiliz polimat Oliver Heaviside tarafından 1888'de teorik olarak mümkün olduğu öngörülmüştür.
Çerenkov Radyasyonu Nasıl Oluşuyor?
Bu etki, bir ortamdaki ışığın hızı normalden yavaşken ve ortamdaki parçacıklar ışıktan daha hızlı hareket ettiğinde meydana geliyor. Söz konusu parçacıklar genellikle elektrondur. Enerji yüklü bir elektron yalıtkan bir ortamdan geçtiğinde elektromanyetik alan bozulur ve elektriksel olarak polarize olur (yükler zıt yöne gider).
Ortam, elektronun hızına yetişemediğinden parçacığın arkasında bir şok dalgası oluşur. Bu radyasyonun ilginç bir özelliği, çoğunlukla parlak mavi değil ultraviyole spektrumunda olmasıdır. Ancak hala bir sürekli spektrum oluşturur (spektral zirveleri olan emisyon spektrumlarının aksine).
Su Neden Mavi Görünür?
Çerenkov radyasyonu sudan geçerken, yüklü parçacıklar o ortamın içindeki ışık hızından daha hızlı hareket eder. Dolayısıyla gördüğünüz ışık normal dalga boyundan daha yüksek bir frekansa (veya daha kısa dalga boyuna) sahiptir. Kısa dalga boyunda daha fazla ışık bulunduğundan, ışık mavi görünür. Fakat neden ışık vardır?
Bunun nedeni hızlı hareket eden yüklü parçacıkların su moleküllerindeki elektronları uyarmasıdır. Bu elektronlar enerjiyi emer ve dengeye döndüklerinde enerjiyi foton (ışık) olarak serbest bırakırlar. Normalde, bu fotonların bazıları birbirlerini iptal eder (yıkıcı girişim), bu nedenle aslında hiç parlama görmememiz gerekir. Ancak parçacık, ışığın suyun içindeki hızından daha hızlı yol aldığından şok dalgası, yapıcı girişime yani parlamaya neden olur.
Etkinin Kullanım Alanları
Çerenkov radyasyonu nükleer bir laboratuvardaki suyu mavi renkte aydınlatmaktan fazlasını yapıyor. Havuz tipi bir reaktördeki kullanılmış yakıt çubuklarının radyoaktivitesini ölçmek için mavi ışıma miktarına bakılabilir. Aynı radyasyon, parçacık fiziği deneylerinde incelenen parçacıkların yapısını belirlemek için kullanılır. Tıbbi görüntülemede ve kimyasal tepkimeleri daha iyi anlamak için biyolojik molekülleri etiketleme ve izlemede kullanılıyor.
Kozmik ışınlar ve yüklü parçacıklar Dünya'nın atmosferi ile etkileşime girdiklerinde Çerenkov radyasyonu üretiyorlar. Bu yüzden bu olayları ölçmek, nötrinoları tespit etmek ve süpernova kalıntıları gibi gama ışını yayan astronomik nesneleri incelemek için detektör kullanılır.
Bazı ilginç gerçekler
- Çerenkov radyasyonu yalnızca suda değil, boşlukta da oluşabilir. Boşlukta bir dalganın faz hızı azalır, ancak yüklü parçacığın hızı ışık hızına daha yakın olur. Bu bilgi yüksek güçlü mikrodalgalar üretmede kullanılıyor.
- Yüklü parçacıklar gözdeki camsı cisme çarptığında Çerenkov radyasyonu görünür olur. Bu durum kozmik ışınlara maruz kalındığında ya da nükleer kritiklik kazasında yaşanabilir.
Kaynaklar:
- Landau, L. D.; Liftshitz, E. M.; Pitaevskii, L. P. (1984). Electrodynamics of Continuous Media. New York: Pergamon Press. ISBN 978-0-08-030275-1.
- Jelley, J. V. (1958). Cerenkov Radiation and Its Applications. London: Pergamon Press.
- Smith, S. J.; Purcell, E. M. (1953). "Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating". Physical Review. 92 (4): 1069. Bibcode:1953PhRv…92.1069S. doi:10.1103/PhysRev.92.1069.