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

Dans les films de science-fiction, les réacteurs nucléaires et les matériaux nucléaires brillent toujours. Alors que les films utilisent des effets spéciaux, l'éclat est basé sur des faits scientifiques. Par exemple, l'eau entourant les réacteurs nucléaires brille en fait d'un bleu vif! Comment ça marche? C'est dû au phénomène appelé rayonnement Cherenkov.

Définition du rayonnement Cherenkov

Qu'est-ce que le rayonnement Cherenkov? Essentiellement, c'est comme un boom sonore, sauf avec de la lumière au lieu du 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.

Il porte le nom du physicien soviétique Pavel Alekseyevich Cherenkov, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1958, avec Ilya Frank et Igor Tamm, pour la confirmation expérimentale de l'effet. Cherenkov avait remarqué cet effet pour la première fois en 1934, lorsqu'une bouteille d'eau exposée au rayonnement brillait de lumière bleue. Bien qu'il n'ait été observé qu'au 20e siècle et n'a pas été expliqué avant qu'Einstein ait proposé sa théorie de la relativité restreinte, le rayonnement de Cherenkov avait été prédit par le polymathe anglais Oliver Heaviside comme théoriquement possible en 1888.

Comment fonctionne le rayonnement Cherenkov

La vitesse de la lumière dans le vide dans une constante (c), mais la vitesse à laquelle la lumière parcourt un milieu est inférieure à c, il est donc possible que les particules traversent le milieu plus rapidement que la lumière, mais toujours plus lentement 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. Le milieu ne peut cependant réagir que si rapidement, il reste donc une perturbation ou une onde de choc cohérente dans le sillage de la particule. Une caractéristique intéressante du rayonnement de Cherenkov est qu'il se trouve principalement dans le spectre ultraviolet, pas en bleu vif, 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 bleue

Lorsque le rayonnement Cherenkov passe dans l'eau, les particules chargées se déplacent plus rapidement que la lumière ne peut traverser ce milieu. Ainsi, la lumière que vous voyez a une fréquence plus élevée (ou une longueur d'onde plus courte) que la longueur d'onde habituelle. Parce qu'il y a plus de lumière avec une courte longueur d'onde, la lumière apparaît bleue. Mais pourquoi y a-t-il du tout de la lumière? C'est parce que la particule chargée se déplaçant 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'annuleraient (interférence destructrice), vous ne verriez donc pas de lueur. Mais, 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 Cherenkov

Le rayonnement Cherenkov est bon pour bien plus que simplement faire briller votre eau en bleu dans un laboratoire nucléaire. Dans un réacteur de type piscine, la quantité de lueur bleue peut être utilisée pour mesurer la radioactivité des crayons de combustible usé. Le rayonnement est utilisé dans les 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 Cherenkov est produit lorsque les rayons cosmiques et les particules chargées interagissent avec l'atmosphère terrestre, de sorte que des détecteurs sont utilisés pour mesurer ces phénomènes, pour détecter les neutrinos et pour étudier les objets astronomiques émettant des rayons gamma, tels que les restes de supernova.

Faits amusants sur le rayonnement Cherenkov

• Le rayonnement 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 des particules chargées reste plus proche (mais inférieure à) la vitesse de la lumière. Ceci a une application pratique, car il est utilisé pour produire des micro-ondes de haute puissance.
• Si des particules chargées relativistes heurtent l'humeur vitrée de l'œil humain, des éclairs de rayonnement Cherenkov peuvent être vus. Cela peut se produire lors d'une exposition aux rayons cosmiques ou lors d'un accident de criticité nucléaire.