Partikler raskere enn lys

Skrevet av Emil Herman Frøen

KJM3900 prosjektoppgave våren 2017

Når man ser på bilder av kjernereaktorer i operasjon, vil reaktoren gjerne være omgitt av et tydelig blått lys. Men strålingen fra kjernereaktorer burde ikke være synlig til menneskers øyne, samme hvor intens den er. Så hvor kommer dette lyset fra?

Glødene reaktor[1]

Dette lyset blir dannet ved en prosess som blir kalt Cherenkov radiasjon. For å forstå hvordan det blir skapt må vi se litt på hva som foregår i en reaktor.

Kjernereaktorer genererer energi ved å benytte den avgitte energien som resulterer fra en kjedereaksjon av henfall av atomkjerner. Denne formen for radioaktivt henfall kalles fisjon.

Ved fisjon deler en tyngre kjerne seg in i to mindre kjerner. Disse fisjonsproduktene vil ofte ha for mange nøytroner i forhold til protoner, og undergår dermed rask beta minus henfall for å konvertere et nøytron til et proton og øke stabiliteten. Når denne konversjonen skjer, avgis blant annet et elektron med høy kinetisk energi, og det er elektronene avgitt i denne prosessen som skaper gløden i omgivelsene av kjernereaktorer, så lenge reaktoren har de korrekte omgivelsene.[3] Alle bildene av kjernereaktorer med blå glød har nemlig et punkt til felles: De benytter vann som en skjerm for å beskytte omgivelsene mot den dødelige radiasjonen som avgis når reaktoren er i operasjon, eller de benytter vann som en nøytronbrems i de tilfellene hvor bildet er fra inne i selve reaktoren.

Nå som vi har en forståelse av hva som foregår i en reaktor kan vi se på hvordan Cherenkov radiasjon oppstår.

Visse materialer har egenskaper som gir dem evnen til å lyse når de er utsatt for relativt lavenergisk stråling fra radioaktivt henfall, et fenomen kalt radioluminescens. Dette er gjerne den mest kjente formen av synlig lys fra radioaktivitet, men Cherenkov er fundamentalt annerledes fra dette.

De høyenergiske elektronene fra kjernereaktorene produserer i stedet synlig lys ved å forstyrre omgivelsene de beveger seg gjennom på en måte som resulterer i Cherenkov radiasjon. Cherenkov radiasjon oppstår som en konsekvens av lysets, og dermed den elektromagnetiske kraftens, begrensede hastighet i dielektriske medium slik som vann. At et medium er dielektrisk vil si at det ikke leder strøm, men molekylene det består av kan bli polarisert av elektriske felt (altså at elektronenes «baner» kan bli endret relativt lett).[2]

Lysets hastighet er kjent for å være universets fartsgrense og en konstant verdi. Det er også fysisk umulig for en partikkel med masse å oppnå denne hastigheten eller høyere, men dette gjelder kun «i vakuum». Når lyset beveger seg gjennom et annet medium enn et vakuum, kan farten falle betydelig. Det er dermed mulig for elektronene i beta strålingen å bevege seg raskere enn lyset (også kalt superluminal bevegelse) innen dette medium.[2]

Et elektron er en partikkel med ladning, så når den beveger seg gjennom et medium, vil den forstyrre det elektromagnetiske feltet som omgir den på ethvert tidspunkt. Når det er elektronene fra den høyt energiske beta radiasjonen i reaktorer det er snakk om, oppfører de seg mye på samme måte som et supersonisk fly gjennom luften, bare at det er den elektromagnetiske kraften i stedet for lyd. Og det er nettopp dette Cherenkov radiasjon egentlig er: Elektromagnetismens ekvivalent av en supersonisk smell.

Se figur 2 på neste side for illustrasjon av det følgende. Ettersom elektronene i beta radiasjonen beveger seg raskere enn lyset i samme mediet, vil de bølgene av elektromagnetisk radiasjon ikke spre seg rundt partikkelen, men bak den. Når elektronet dermed lager nye elektromagnetiske bølger, vil senteret til disse nye bølgene ligge lenger fram enn de forrige bølgene har nådd. Ved disse tilstandene vil de bølgene som startet på forskjellige punkter langs elektronets bane krysse hverandre. Dette resulterer i en front hvor alle de elektromagnetiske bølgene overlapper og skaper konstruktiv interferens i form av en elektromagnetisk sjokkbølge.[5] Langs denne sjokkbølgen er alle bølgene i fase med hverandre, det vil si at bølgetoppene overlapper hverandre, og ingen destruktiv interferens oppstår. Dermed oppstår lys med stor nok intensitet til at mennesker kan observere det direkte. Dette fortsetter helt til elektronene har gitt av så mye energi til at farten deres faller under lysets hastighet i mediet.

Tiden det tar for elektronet å stoppe opp til den grad varierer etter hvor mye energi den har til å begynne med, men det skjer veldig raskt. Selv de mest høyt energiske elektronene fra beta henfall har en maksimal rekkevidde på kun noen få centimeter i vann, og siden de beveger seg med hastigheter sammenlignbart med lys i vakuum, blir tidsrommet hvor de forårsaker Cherenkov ekstremt kort.

 

                                                

 

Sjokkfronten (fronten til sjokkbølgen) oppstår på en stump vinkel fra elektronets retning, det er linjen hvor alle sirklene overlapper hverandre i figur 2, men selve Cherenkov radiasjonen oppstår med en rett vinkel på sjokkfronten, på en akutt vinkel med partikkelens retning. Når partikkelen beveger seg akkurat raskt nok til å forsake Cherenkov radiasjon, er vinkelen null, og fotonene beveger seg i samme retning som den høyenergiske partikkelen. Jo raskere partikkelen beveger seg i forhold til lysets hastighet, jo nærmere kommer vinkelen mellom Cherenkov og partikkelens retning 90 grader.[3]

Cherenkov radiasjon ser tydelig blå-lilla ut, men den har egentlig ingen spesifikk farge. Radiasjonen dekker et spektrum, men det meste av radiasjonen ligger i den ultrafiolette delen av spekteret, og intensiteten blir svakere med lengere bølgelengde. Den blå fargen ganske enkelt «overdøver» de andre synlige fargene. Når mediet er vann vil vannets naturlige blå farge, og tendens til å absorbere rødt lys, også påvirke fargen.[4]

Cherenkov radiasjon er ikke bare et merkelig fenomen, det har noen bruksområder. Innen kjemi brukes det som en biologisk tracer samt for karakterisering av brukt kjernebrensel. og i kjernereaktorer påviser det høyt energisk radiasjon. Innen fysikk benyttes den til å identifisere partikler via deres moment, gjerne i partikkelakseleratorer og astrofysiske eksperimenter.[4],[5]

 

REFERANSER:

[1]:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/Cerenkov_Effect.jpg

[2]:https://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov_radiation

[3]:http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SpeedOfLight/cherenkov.html

[4]:http://www.webexhibits.org/causesofcolor/4BA.html

[5]:http://large.stanford.edu/courses/2014/ph241/alaeian2/

 

Av Emil Herman Frøen
Publisert 27. apr. 2017 12:12 - Sist endret 27. apr. 2017 21:02