Vì sao lò phản ứng hạt nhân phát ra ánh sáng màu xanh?
Bức xạ Cherenkov, hoặc bức xạ Vavilov–Cherenkov là bức xạ điện từ phát ra khi một hạt mang điện tích (như electron, proton) bay qua môi trường điện môi trong suốt với vận tốc lớn hơn vận tốc của ánh sáng trong môi trường đó. Đặc trưng phát ra ánh sáng màu xanh lam của các lò phản ứng hạt nhân dưới nước là do hiệu ứng này.
Giải Nobel vật lý năm 1958 đã được trao cho Pavel Alekseyevich Cherenkov nhờ công trình phát hiện ra bức xạ này bằng thực nghiệm. Lý thuyết giải thích hiệu ứng này sau đó được hai nhà vật lý Igor Tamm và Ilya Frank giải thích dựa trên khuôn khổ của thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, và hai ông cũng được nhận giải Nobel Vật lý cùng với Cherenkov năm 1958. (Phát hiện ra mỗi cái này mà 3 ông Nga nẫng 3 giải Nobel).
Mô hình máy bay siêu thanh
Âm thanh là dao động cơ học của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng. Hiểu theo một cách khác âm thanh được tạo ra do sự co dãn liên tục với tầng số cao của không khí được truyền ra xung quang.
Những vật có vận tốc lớn, dù bản thân không phát ra âm thanh nhưng khi chuyển động nhanh không khí phía trước nó bị nén lại, rồi dãn ra khi nó đi qua. Chính sự co dãn đó tạo ra sóng âm, tai người có thể nghe được với âm thanh có tần số khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Vậy nếu vật đi đủ nhanh ta có thể nghe thấy tiếng động.
Máy bay siêu thanh (viên đạn, tia sét...) có vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh trong không khí, kéo theo hiện tượng hình nón Maxa - các đợt sóng lan truyền âm thanh làm cho không khí bị co dãn liên tục nhiều đến mức có thể nhìn thấy được, tiếp theo đó là tiếng gầm xé toạt bầu trời.
(Phần màu đỏ - không khí co dãn với tần số rất cao, trong khi phần trước hình nón không khí không co dãn, sự khác biệt này thậm chí có thể nhận ra bằng mắt thường)
Nguyên lý bức xạ Cherenkov
Không gì có thể vượt qua tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không c = 3×10⁸ m/s. Nhưng khi truyền qua môi trường trong suốt (không khí, nước, thủy tinh...) tốc độc ánh sáng bị giảm đi một cách đáng kể, còn khoảng 60-70% so với vận tốc truyền trong chân không. Trong khi đó hạt electron (hoặc proton) mang năng lượng lớn lại di chuyển một cách tự do, có vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường đó.
Khi hạt mang điện di chuyển trong môi trường vật chất sẽ gây ra sự phân cực các hạt xung quanh đường đi của nó. Sóng điện từ là đặc trưng "sóng" của các hạt cơ bản, và ánh sáng có tính sóng-hạt.
Có thể xem "máy bay siêu thanh" là electron, "sóng âm" là sóng điện từ, "không khí bị nén" là các bức xạ Cherenkov có thể nhìn thấy.
Các electron mang năng lượng cao di chuyển với vận tốc "siêu sáng" (vượt qua tốc độ ánh sáng) sẽ gây ra các đợt sóng điện từ chồng chéo lên nhau - vùng hình nón phía sau electron phát ra ánh sáng màu xanh - bức xạ Cherenkov.
Electron tốc độ cao đến từ đâu ?
Dưới tác động của tia gamma năng lượng cao có khả năng ion hóa, electron bị bứt ra khỏi liên kết từ các phân tử của vỏ lò phản ứng hay bản thân nước có vận tốc rất cao. Các bó nhiên liệu hạt nhân trong bể chứa cũng có khả năng phát sáng, nhưng yếu hơn do phân rã tự nhiên - ít tia gamma.
(thanh nhiên liệu đã qua sử dụng)
Sâu thẳm dưới dáy dại dương nơi ánh sáng không thể đến được, khẳng định tối hoàn toàn một sai lầm. Dưới dáy đại dương có các đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ ion hóa, đặc biệt là đồng vị Kali-40, làm nước phát sáng theo cơ chế này.
