Perché i reattori nucleari risplendono di quella strana luce blu?
Avvocato Atomico
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Si tratta di un fenomeno fisico interessante, noto come "effetto Čerenkov", dal nome del suo scopritore Pavel Čerenkov, che assieme ai fisici Igor Tamm e Ilya Frank vinse il premio Nobel nel 1958 proprio grazie a questa scoperta.
Come funziona?
Per cominciare, tutti sappiamo che niente può viaggiare più veloce della luce, ma in realtà questo vale solo nel vuoto. All'interno di un mezzo la luce è "rallentata" di un fattore che dipende dall'indice di rifrazione del materiale, ed è dunque possibile che una particella superi la velocità della luce[1].
Sappiamo inoltre che una particella carica che viaggia in un mezzo perturba le particelle a cui passa vicino, inducendo dei momenti di dipolo in queste ultime. Le particelle del mezzo, dopo essere state eccitate dalla perturbazione, ritornano allo stato iniziale producendo radiazione elettromagnetica.
Cosa succede quando una particella carica viaggia a una velocità superiore a quella della luce?
Succede che la radiazione elettromagnetica prodotta, invece di disperdersi in tutte le direzioni, va a formare un'onda che viene emessa alle spalle della particella carica, come una scia a forma di cono: quest'onda conica è esattamente la radiazione Čerenkov.
Il fenomeno è simile a quello che si verifica quando gli aerei militari superano la barriera del suono: anche in quel caso la sorgente si lascia indietro le onde (sonore) che emette, e queste ultime formano un cono alle sue spalle (cono di Mach).
Lo spettro della radiazione Čerenkov è continuo (contiene quindi tutte le lunghezze d'onda), ma l'intensità della radiazione è all'incirca proporzionale alla sua frequenza: questo fa sì che nella parte di spettro visibile prevalgano le frequenze più alte, che coincidono con il colore blu.
Nei reattori nucleari la luce Čerenkov è prodotta dai decadimenti beta dei prodotti di fissione (le particelle beta sono ovviamente cariche, visto che si tratta di elettroni). Quando il combustibile esausto viene tolto dal reattore e messo nelle piscine di raffreddamento, l'intensità della luce Čerenkov fornisce un indicatore del tasso di radioattività residuo: più gli elementi instabili decadono verso forme stabili, più la luce blu si affievolisce. Quando è abbastanza bassa (solitamente ci vogliono diversi mesi) significa che il combustibile esausto si è raffreddato a sufficienza e può essere portato al sito di riprocessamento o di stoccaggio.
Il caratteristico colore blu della luce Čerenkov ha reso questo fenomeno molto popolare anche nella letteratura fantascientifica. Ad esempio nel romanzo Starship Troopers la “propulsione Čerenkov” è quella che consente alle astronavi di muoversi più veloci della luce; in Star Trek la luce blu che circonda le astronavi mentre viaggiano a velocità di curvatura è dovuta all’effetto Čerenkov; per finire, all’effetto Čerenkov si deve anche il caratteristico colore blu del dottor Manhattan in Watchmen.
-Luca
[1] Nello specifico, i fotoni vengono deviati dagli urti con le
particelle del mezzo, e quindi per percorrere una distanza rettilinea
impiegano un tempo maggiore (si può immaginare la traiettoria come una
linea spezzata). Quindi globalmente l'onda risulta rallentata, anche se
ovviamente lo spazio vuoto tra una particella e l'altra viene percorso
dai singoli fotoni alla velocità della luce.
