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Warum das Wasser in einem Kernreaktor blau leuchtet

In Science-Fiction-Filmen leuchten immer Kernreaktoren und Kernmaterialien. Während Filme Spezialeffekte verwenden, basiert das Leuchten auf wissenschaftlichen Fakten. Zum Beispiel leuchtet das Wasser, das die Kernreaktoren umgibt, tatsächlich hellblau! Wie funktioniert es? Es ist auf das Phänomen namens Cherenkov Radiation zurückzuführen.

Cherenkov Strahlungsdefinition

Was ist Cherenkov-Strahlung? Im Grunde ist es wie ein Überschallknall, nur mit Licht statt Ton. Cherenkov-Strahlung ist definiert als die elektromagnetische Strahlung, die emittiert wird, wenn sich ein geladenes Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt. Der Effekt wird auch als Vavilov-Cherenkov-Strahlung oder Cerenkov-Strahlung bezeichnet.

Es ist nach dem sowjetischen Physiker Pavel Alekseyevich Cherenkov benannt, der 1958 zusammen mit Ilya Frank und Igor Tamm den Nobelpreis für Physik erhielt, um den Effekt experimentell zu bestätigen. Cherenkov hatte den Effekt erstmals 1934 bemerkt, als eine Flasche Wasser, die der Strahlung ausgesetzt war, mit blauem Licht leuchtete. Obwohl die Cherenkov-Strahlung erst im 20. Jahrhundert beobachtet und erst erklärt wurde, als Einstein seine Theorie der speziellen Relativitätstheorie vorschlug, war sie 1888 vom englischen Polymath Oliver Heaviside als theoretisch möglich vorhergesagt worden.

Wie Cherenkov-Strahlung funktioniert

Die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum in einer Konstanten (c), aber die Geschwindigkeit, mit der sich Licht durch ein Medium bewegt, ist geringer als c, so dass Partikel schneller als Licht durch das Medium wandern können, aber immer noch langsamer als die Geschwindigkeit von Licht. Normalerweise ist das betreffende Teilchen ein Elektron. Wenn ein energetisches Elektron ein dielektrisches Medium passiert, wird das elektromagnetische Feld unterbrochen und elektrisch polarisiert. Das Medium kann jedoch nur so schnell reagieren, dass nach dem Partikel eine Störung oder kohärente Stoßwelle zurückbleibt. Ein interessantes Merkmal der Cherenkov-Strahlung ist, dass sie hauptsächlich im ultravioletten Spektrum liegt, nicht hellblau, aber dennoch ein kontinuierliches Spektrum bildet (im Gegensatz zu Emissionsspektren, die spektrale Peaks aufweisen).

Warum Wasser in einem Kernreaktor blau ist

Während Cherenkov-Strahlung durch das Wasser strömt, wandern die geladenen Teilchen schneller als Licht durch dieses Medium. Das Licht, das Sie sehen, hat also eine höhere Frequenz (oder eine kürzere Wellenlänge) als die übliche Wellenlänge. Da es mehr Licht mit einer kurzen Wellenlänge gibt, erscheint das Licht blau. Aber warum gibt es überhaupt Licht? Dies liegt daran, dass das sich schnell bewegende geladene Teilchen die Elektronen der Wassermoleküle anregt. Diese Elektronen absorbieren Energie und geben sie als Photonen (Licht) ab, wenn sie ins Gleichgewicht zurückkehren. Normalerweise heben sich einige dieser Photonen gegenseitig auf (destruktive Interferenz), sodass Sie kein Leuchten sehen. Wenn sich das Teilchen jedoch schneller bewegt, als Licht durch das Wasser wandern kann, erzeugt die Stoßwelle konstruktive Interferenzen, die Sie als Glühen sehen.

Verwendung von Cherenkov-Strahlung

Cherenkov-Strahlung ist nicht nur gut, um Ihr Wasser in einem Nuklearlabor blau leuchten zu lassen. In einem Poolreaktor kann die Menge an blauem Glühen verwendet werden, um die Radioaktivität abgebrannter Brennstäbe zu messen. Die Strahlung wird in Teilchenphysik-Experimenten verwendet, um die Art der untersuchten Teilchen zu identifizieren. Es wird in der medizinischen Bildgebung und zur Markierung und Verfolgung biologischer Moleküle verwendet, um chemische Wege besser zu verstehen. Cherenkov-Strahlung entsteht, wenn kosmische Strahlen und geladene Teilchen mit der Erdatmosphäre interagieren. Daher werden Detektoren verwendet, um diese Phänomene zu messen, Neutrinos zu detektieren und astronomische Objekte, die Gammastrahlen emittieren, wie Supernova-Überreste, zu untersuchen.

Wissenswertes über Cherenkov-Strahlung

  • Cherenkov-Strahlung kann im Vakuum auftreten, nicht nur in einem Medium wie Wasser. In einem Vakuum nimmt die Phasengeschwindigkeit einer Welle ab, die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen bleibt jedoch näher an der Lichtgeschwindigkeit (und doch geringer als diese). Dies hat eine praktische Anwendung, da es zur Erzeugung von Hochleistungsmikrowellen verwendet wird.
  • Wenn relativistisch geladene Teilchen auf den Glaskörper des menschlichen Auges treffen, können Blitze von Cherenkov-Strahlung auftreten. Dies kann durch kosmische Strahlung oder durch einen nuklearen Kritikalitätsunfall geschehen.

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