إشعاع تشيرينكوف هو شكل من أشكال الطاقة التي يمكن أن نراها على شكل توهّجٍ باللون الأزرق عند إطلاقها وذلك عندما تتحرك الجزيئات المشحونة كهربائيًّا التي تحتوي على الذرات، أي الإلكترونات والبروتونات، بسرعة تتخطى سرعة الضوء في وقت مُحدَّد. وقد أُطلق عليه تسمية "إشعاع تشيرينكوف" نسبةً إلى بافل تشيرينكوف، الذي فاز بجائزة نوبل لسنة 1958 في الفيزياء، إلى جانب العالِمين إليا فرانك وإيغور تام، كونه أول من تمكَّن من اكتشاف هذا الوهج الأزرق وتفسيره.
ما ظاهرة إشعاع تشيرينكوف؟
إشعاع تشيرينكوف هو شكل من أشكال الطاقة التي يمكن أن نراها على شكل توهّجٍ باللون الأزرق عند إطلاقها وذلك عندما تتحرك الجزيئات المشحونة كهربائيًّا التي تحتوي على الذرات، أي الإلكترونات والبروتونات، بسرعة تتخطى سرعة الضوء في وقت مُحدَّد.
كيف يمكن لأي شيء أن ينتقل أسرع من الضوء؟
لا شيء يستطيع الانتقال أسرع من الضوء في الفراغ. ولكن في أماكن أخرى، تستطيع الجزيئات أن تنتقل بسرعة تتخطى سرعة الضوء. ففي الماء مثلاً، تتراجع سرعة الضوء بنسبة 75% من سرعته الطبيعية، لكن هناك جزيئات أخرى لا تتراجع سرعتها بهذا الشكل ما يؤدي إلى انتقالها بسرعة تتخطى سرعة الضوء في نهاية المطاف. وعندئذٍ، يَظهر وهجٌ أزرق أو بنفسجي.
لماذا اللون الأزرق؟
حين تتحرك الجزيئات المشحونة بسرعة تتخطى سرعة الضوء في المياه مثلاً، فهي تتسبب في خلل في توازن طاقة الجزيئات المتحرِّكة. ولإعادة هذا التوازن، تُطلِق هذه الجزيئات ما يُسمى بالفوتونات، وهي نوعٌ من الجزيئات التي تكوِّن الضوء المرئي، مؤديةً إلى "موجة مُفاجئة" من الضوء المرئي. وهذا التأثير مماثل للتأثير الذي يحدثه الانفجار الصوتي عند حدوث تحرُّكات أسرع من الصوت، لكن على المستوى المرئي.
وإنّ الألوان المختلفة التي تراها العين المُجرَّدة هي بالحقيقة أنواع مختلفة من الموجات التي تتألَّف من الفوتونات.
وبسبب نسبة الطاقة المرتفعة التي تحدث خلال إشعاع تشيرينكوف، تنتقل الفوتونات على شكل موجاتٍ ذات تردُّدات مرتفعة وأطوال موجية قصيرة، وهي عادة ما تكون بنفسجية وزرقاء اللون. وكلما ارتفعت الترددات وقصُرت الأطوال الموجية، ظهر اللون الأزرق أو البنفسجي بشكل أوضح للعين المجرَّدة. ولا يمكن للعين المجردة أن ترى الأشعة فوق البنفسجية لكن يمكن التقاطها بأدوات محددة تُستخدم لقياس إشعاع تشيرينكوف.
ما بعض تطبيقات إشعاع تشيرينكوف؟
يحدث إشعاع تشيرينكوف عادةً في المواد المشعة التي تغمرها المياه. ويمكن استخدام المواد النووية، التي تعتبر المواد المشعة منتجاً ثانويًّا منها، للأغراض السلمية (مثل إنتاج الطاقة)، ويمكن استخدامها أيضاً في الأسلحة النووية.
وتتمثل ولاية الوكالة في التحقُّق من استخدام المواد والمنشآت النووية للأغراض السلمية. وتُطلع الدولُ الوكالةَ على موقع المواد النووية التي تقع ضمن اتفاقات الضمانات وكميتها وتركيبتها الكيميائية وشكلها الفيزيائي واستخدامها وتتولى الوكالة التحقُّق من أنَّ المعلومات التي أبلغتها بها الدول كاملة وصحيحة.
وخلال استخدام المعدات المتخصصة، وخاصةً الجيل القادم من الأجهزة الخاصة بمشاهدة ظاهرة تشيرينكوف أو الأجهزة الرقمية الخاصة بمشاهدة ظاهرة تشيرينكوف، التي تلتقط الضوء المنبعث، يستطيع مفتشو الضمانات النووية تحليل المواد النووية الموجودة في المنشآت النووية وفي مواقع أخرى ومقارنة هذه البيانات بالمعلومات التي قدَّمتها الدول. فهم يستطيعون مثلاً قياس أشعة تشيرينكوف الموجودة في الأحواض التي تخزِّن الوقود المستنفد من المفاعلات النووية وتحديد ما إذا كانت كميات الوقود المستنفد المُعلن عنها دقيقة أم لا. وهكذا، يمكنهم اكتشاف ما إذا تمَّ استخدام أي من المواد النووية الناتجة عن الوقود المستنفد لأغراض غير سلمية.
تعرفوا على المزيد من تقنيات الضمانات النووية ومعداتها من هنا.
حوضٌ للوقود المستنفد (الصورة من: دين كالما/الوكالة الدولية للطاقة الذرية)
ما دور الوكالة؟
- من خلال اتّباع سلسة من التدابير التقنية، أو نهج الضمانات، تتحقق الوكالة من أنَّ الدول تحترم واجباتها القانونية الدولية لاستخدام المواد والتكنولوجيا النووية فقط للأغراض السلمية. وتستطيع الوكالة، من خلال عملية التحقق المستقلة التي تضطلع بها، أن تؤدي دوراً محوريًّا في الحول دون انتشار الأسلحة النووية.
- تشكل ضمانات الوكالة عنصراً أساسيًّا من نظام الأمن الدولي. ومعاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية هي الركيزة الأساسية للجهود العالمية للحول دون انتشار الأسلحة النووية. وتنُصُّ المادة الثالثة من المعاهدة على وجوب إبرام كل دولة ليس فيها أسلحة نووية اتفاق ضمانات شاملة مع الوكالة.
- إنَّ مجال التكنولوجيا النووية في تطور مستمر. وتزداد كمية المواد النووية وأعداد المنشآت النووية التي تخضع لنهج ضمانات الوكالة بشكل مستمر. تعرفوا على حقائق بشأن الضمانات الرئيسية لعام 2021 من هنا.
Cherenkov radiation is a form of energy that we can perceive as a blue glow emitted when the electrically charged particles that compose atoms (i.e. electrons and protons) are moving at speeds faster than that of light in a specific medium. Cherenkov radiation is named after the 1958 Physics Nobel Prize laureate, Pavel Cherenkov, who shared the award with Ilya Frank and Igor Tamm, for being the first to experimentally demonstrate and explain this glow.
How can something travel faster than light?
Nothing can travel faster than the speed of light in a vacuum. However, in other mediums, particles can potentially move faster than light. For instance, while in water, light would instantly slow down to 75% of its normal speed, but there are other particles that don’t slow down as much and end up moving faster than light. Whenever that happens, a blue or violet glow occurs.
Cherenkov radiation is present, among others, in the water that surrounds the fuel in nuclear reactors. Electrically charged particles moving at very high speeds are a by-product of the reaction inside the reactor. (Photo: IAEA)
Why is it blue?
When charged particles moving faster than light travel in, for example, water, they perturb the energy equilibrium of the atoms that are in their way. In order to regain equilibrium, those atoms release photons – the types of particles that compose visible light, creating a “shock-wave” of visible light. It is the same effect as the sonic boom when faster-than-sound movements occur, but on the light spectrum.
The different colours that human eyes perceive are actually different types of waves made up of photons.
Due to the high energies at play during Cherenkov radiation, the photons travel as waves that have high frequencies and short wavelengths, which are typical of violet and blue colours. The higher the frequencies and the shorter the wavelengths are, the bluer or more violet the light appears to the human eye. Ultraviolet is not visible to the human eye but can be captured with specific tools measuring the Cherenkov radiation.
What are some of the applications of Cherenkov radiation?
Cherenkov radiation usually occurs in radioactive materials immersed in water. Nuclear material, of which radioactive material is a by-product, can be used for peaceful purposes (such as energy production), but also for nuclear weapons.
The IAEA’s mandate includes verifying that nuclear material and facilities remain in peaceful use. States declare to the IAEA the location, amount, chemical composition, physical form and use of their nuclear material under their safeguards agreements, and the IAEA verifies that the information reported by the State is complete and correct.
By using specialized equipment, namely The neXt generation Cherenkov viewing devices (XCVDs) or digital Cherenkov viewing devices (DCVDs), that captures the light emitted, Nuclear Safeguards Inspectors can analyse nuclear material at nuclear facilities and other locations and compare that data to the information reported by the State. For instance, they can measure the Cherenkov radiation present in the ponds where the spent fuel from nuclear reactors is stored and determine whether or not the reported amount of spent nuclear fuel is accurate. In this way, they can detect if any of the nuclear material from spent nuclear fuel has been diverted from peaceful use.
Learn more about the use of the nuclear safeguards techniques and equipment here.
A spent fuel pond. (Photo: D. Calma/IAEA)
What is the role of the IAEA?
- Through a set of technical measures, or safeguards, the IAEA verifies that States are honouring their international legal obligations to use nuclear material and technology only for peaceful purposes. Its independent verification work allows the IAEA to play an indispensable role in preventing the spread of nuclear weapons.
- IAEA safeguards are an essential component of the international security system. The Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons (NPT) is the cornerstone of global efforts to prevent the spread of nuclear weapons. Under the Treaty’s Article III, each non-nuclear weapon State is required to conclude a comprehensive safeguards agreement with the IAEA.
- The field of nuclear technology is developing continuously. The amount of nuclear material and the number of nuclear facilities under IAEA safeguards are growing steadily. Read the IAEA key safeguards facts here.