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Pourquoi l'eau bleue dans un réacteur nucléaire? Rayonnement Cherenkov

Pourquoi l'eau bleue dans un réacteur nucléaire? Rayonnement Cherenkov

Dans les films de science-fiction, les réacteurs nucléaires et les matières nucléaires brillent toujours. Alors que les films utilisent des effets spéciaux, la lueur est basée sur des faits scientifiques. Par exemple, l'eau entourant les réacteurs nucléaires brille en bleu! Comment ça marche? Cela est dû au phénomène appelé rayonnement Cherenkov.

Définition de rayonnement Cherenkov

Qu'est-ce que le rayonnement de Cherenkov? Pour l’essentiel, c’est comme un boom sonore, sauf que la lumière remplace le son. Le rayonnement de Cherenkov est défini comme le rayonnement électromagnétique émis lorsqu'une particule chargée se déplace à travers un milieu diélectrique plus rapidement que la vitesse de la lumière dans le milieu. L'effet est également appelé rayonnement Vavilov-Cherenkov ou rayonnement Cerenkov.

Son nom provient du physicien soviétique Pavel Alekseyevich Cherenkov, qui a reçu le prix Nobel de physique de 1958 avec Ilya Frank et Igor Tamm pour la confirmation expérimentale de l'effet. Tcherenkov avait remarqué l'effet pour la première fois en 1934 lorsqu'une bouteille d'eau exposée à des radiations brillait de lumière bleue. Même s'il n'a pas été observé avant le 20ème siècle ni expliqué jusqu'à ce qu'Einstein propose sa théorie de la relativité restreinte, le rayonnement de Tchérenkov avait été prédit par le polymathe anglais Oliver Heaviside comme théoriquement possible en 1888.

Comment fonctionne le rayonnement Tcherenkov

La vitesse de la lumière dans le vide dans une constante (c), mais la vitesse à laquelle la lumière se déplace à travers un milieu est inférieure à c, il est donc possible pour les particules de traverser le support plus rapidement que la lumière, tout en restant plus lent que la vitesse de lumière. Habituellement, la particule en question est un électron. Lorsqu'un électron énergétique traverse un milieu diélectrique, le champ électromagnétique est perturbé et polarisé électriquement. Cependant, le milieu ne réagissant que très rapidement, il reste donc une perturbation ou une onde de choc cohérente dans le sillage de la particule. Une caractéristique intéressante du rayonnement Cherenkov réside dans le fait qu’il se situe principalement dans le spectre ultraviolet, pas en bleu brillant, mais qu’il forme un spectre continu (contrairement aux spectres d’émission qui ont des pics spectraux).

Pourquoi l'eau dans un réacteur nucléaire est-elle bleue?

Tandis que le rayonnement de Cherenkov traverse l'eau, les particules chargées se déplacent plus rapidement que la lumière ne peut le traverser. Ainsi, la lumière que vous voyez a une fréquence plus élevée (ou une longueur d’onde plus courte) que la longueur d’onde habituelle. Puisqu'il y a plus de lumière avec une courte longueur d'onde, la lumière apparaît en bleu. Mais pourquoi y a-t-il une lumière? C'est parce que la particule chargée qui se déplace rapidement excite les électrons des molécules d'eau. Ces électrons absorbent l’énergie et la libèrent sous forme de photons (lumière) lorsqu’ils retournent à l’équilibre. D'ordinaire, certains de ces photons s'annulent (interférence destructive), de sorte que vous ne voyez aucune lueur. Toutefois, lorsque la particule se déplace plus rapidement que la lumière ne peut traverser l’eau, l’onde de choc produit une interférence constructive que vous voyez comme une lueur.

Utilisation du rayonnement de Cherenkov

Le rayonnement Tchérenkov est bon pour plus que simplement rendre votre eau brillante en bleu dans un laboratoire nucléaire. Dans un réacteur de type piscine, la quantité de lueur bleue peut être utilisée pour jauger la radioactivité des barres de combustible épuisé. Le rayonnement est utilisé dans des expériences de physique des particules pour aider à identifier la nature des particules examinées. Il est utilisé en imagerie médicale et pour étiqueter et tracer des molécules biologiques afin de mieux comprendre les voies chimiques. Le rayonnement de Cherenkov se produit lorsque les rayons cosmiques et les particules chargées interagissent avec l'atmosphère terrestre. Les détecteurs servent donc à mesurer ces phénomènes, à détecter les neutrinos et à étudier des objets astronomiques émetteurs de rayons gamma, tels que des restes de supernova.

Faits amusants sur le rayonnement de Cherenkov

  • Le rayonnement de Cherenkov peut se produire dans le vide, pas seulement dans un milieu comme l’eau. Dans le vide, la vitesse de phase d'une onde diminue, mais la vitesse de la particule chargée reste plus proche de la vitesse de la lumière (encore moins). Cela a une application pratique, car il est utilisé pour produire des micro-ondes de forte puissance.
  • Si des particules chargées relativistes frappent l'humeur vitreuse de l'œil humain, des radiations de rayonnement Tchérenkov peuvent être observées. Cela peut être dû à une exposition aux rayons cosmiques ou à un accident de criticité nucléaire.