Por que a água em um reator nuclear brilha em azul

Nos filmes de ficção científica, reatores e materiais nucleares sempre brilham. Enquanto os filmes usam efeitos especiais, o brilho é baseado em fatos científicos. Por exemplo, a água ao redor dos reatores nucleares realmente brilha em azul brilhante! Como funciona? É devido ao fenômeno chamado radiação de Cherenkov.

O que é radiação Cherenkov? Essencialmente, é como um boom sônico, exceto com luz em vez de som. Radiação Cherenkov é definida como a radiação eletromagnética emitida quando uma partícula carregada se move através de um meio dielétrico mais rápido que a velocidade da luz no meio. O efeito também é chamado de radiação Vavilov-Cherenkov ou radiação Cerenkov.

É nomeado após o físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov, que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1958, junto com Ilya Frank e Igor Tamm, pela confirmação experimental do efeito. Cherenkov notou o efeito pela primeira vez em 1934, quando uma garrafa de água exposto à radiação brilhava com luz azul. Embora não tenha sido observado até o século XX e não explicado até Einstein ter proposto sua teoria de especial relatividade, a radiação Cherenkov havia sido prevista pelo polímata inglês Oliver Heaviside como teoricamente possível em 1888.

A velocidade da luz no vácuo em uma constante (c), mas a velocidade na qual a luz viaja através de um meio é menor que c, então é possível que as partículas viajem pelo meio mais rápido que a luz, mas ainda mais devagar que a velocidade da luz. Geralmente, a partícula em questão é um elétron. Quando um elétron energético passa através de um meio dielétrico, o campo eletromagnético é interrompido e polarizado eletricamente. Porém, o meio só pode reagir tão rapidamente, para que haja uma perturbação ou uma onda de choque coerente na sequência da partícula. Uma característica interessante da radiação Cherenkov é que ela está principalmente no espectro ultravioleta, não azul brilhante, forma um espectro contínuo (diferentemente dos espectros de emissão, que possuem espectral picos).

À medida que a radiação Cherenkov passa pela água, as partículas carregadas viajam mais rápido do que a luz pode atravessar esse meio. Então, a luz que você vê tem uma frequência mais alta (ou menor comprimento de onda) do que o comprimento de onda usual. Como há mais luz com um comprimento de onda curto, a luz aparece azul. Mas, por que há alguma luz? É porque a partícula carregada em movimento rápido excita os elétrons das moléculas de água. Esses elétrons absorvem energia e a liberam como fótons (luz) à medida que retornam ao equilíbrio. Normalmente, alguns desses fótons se anulavam (interferência destrutiva), para que você não visse um brilho. Porém, quando a partícula viaja mais rápido do que a luz pode atravessar a água, a onda de choque produz interferências construtivas que você vê como um brilho.

A radiação Cherenkov é boa para mais do que apenas fazer sua água brilhar em azul em um laboratório nuclear. Em um reator do tipo piscina, a quantidade de brilho azul pode ser usada para medir a radioatividade das barras de combustível usadas. A radiação é usada em experimentos de física de partículas para ajudar a identificar a natureza das partículas que estão sendo examinadas. É usado em imagens médicas e para rotular e rastrear moléculas biológicas para entender melhor as vias químicas. A radiação Cherenkov é produzida quando os raios cósmicos e as partículas carregadas interagem com a atmosfera da Terra; usado para medir esses fenômenos, detectar neutrinos e estudar objetos astronômicos emissores de raios gama, como a supernova remanescentes.

• A radiação Cherenkov pode ocorrer no vácuo, não apenas em um meio como a água. No vácuo, a velocidade da fase de uma onda diminui, mas a velocidade da partícula carregada permanece mais próxima (ainda menor que) da velocidade da luz. Isso tem uma aplicação prática, pois é usado para produzir microondas de alta potência.
• Se partículas carregadas relativísticas atingirem o humor vítreo do olho humano, poderão ser vistos flashes da radiação Cherenkov. Isso pode ocorrer devido à exposição a raios cósmicos ou em um acidente de gravidade nuclear.