¿Qué es la radiación Cherenkov?
Ciencia nuclear en detalle
La radiación Cherenkov es un tipo de energía visible para el ojo humano. Se percibe como un brillo azul que se produce cuando las partículas con carga eléctrica que componen los átomos (electrones y protones) superan la velocidad de la luz en determinados medios.
La radiación Cherenkov es un tipo de energía visible para el ojo humano. Se percibe como un brillo azul que se produce cuando las partículas con carga eléctrica que componen los átomos (electrones y protones) superan la velocidad de la luz en determinados medios. Debe su nombre a Pavel Cherenkov, quien compartió el Premio Nobel de Física de 1958 con Ilya Frank e Igor Tamm, por haber sido los primeros en demostrar experimentalmente este resplandor azul y explicarlo.
¿Es posible superar la velocidad de la luz?
Si bien es cierto que no es posible superar la velocidad de la luz en el vacío, en otros medios algunas partículas sí pueden lograrlo. Por ejemplo, en el agua, la luz se desacelera de inmediato y solo alcanza el 75 % de su velocidad habitual, mientras que otras partículas no sufren una ralentización tan pronunciada y terminan superando a la luz. Cuando esto ocurre se produce un brillo azul o violeta.
Esta foto muestra el núcleo del reactor de investigación RECH-1 en Chile, con su característico brillo azulado. La radiación Cherenkov puede observarse en el agua que rodea el combustible de los reactores nucleares. Esa agua contiene partículas con carga eléctrica que viajan a altas velocidades como consecuencia de la reacción que ocurre dentro del reactor. (Fotografía: E. Vargas /Comisión Chilena de Energía Nuclear)
¿Por qué azul?
Cuando las partículas con carga superan la velocidad de la luz en un medio como el agua, perturban el equilibrio energético de los átomos que se cruzan en su camino. En un intento por estabilizarse, los átomos emiten “fotones” (partículas de luz), lo que crea una onda de choque que percibimos como un brillo azul. Se trata de un fenómeno similar a la onda de choque que escuchamos cuando un objeto supera la velocidad del sonido.
Los diferentes colores que percibe el ojo humano son diferentes tipos de ondas compuestas por fotones. Debido a las intensas energías presentes durante la radiación Cherenkov, los fotones viajan en ondas de alta frecuencia y corta longitud, típicas de los colores violeta y azul. Cuanto más elevada sea la frecuencia y más corta sea la longitud de onda, el color azul o violeta será más intenso para el ojo humano. Los seres humanos no podemos percibir las ondas ultravioletas a simple vista, pero podemos medirlas con instrumentos especializados.
Cuanto más elevada sea la frecuencia y más corta sea la longitud de onda, el color azul o violeta será más intenso para el ojo humano. (Infografía: A.Vargas/OIEA)
La radiación Cherenkov que se produce en el agua se emite dentro un espectro amplio pero continuo. La mayoría de su luz se ubica en la región azul, violeta y ultravioleta del espectro electromagnético. (Infografía: A.Vargas/OIEA)
Algunas aplicaciones de la radiación Cherenkov
La radiación Cherenkov ocurre habitualmente en el agua que rodea los materiales radiactivos, un subproducto de los materiales nucleares que puede utilizase tanto con fines pacíficos (como la producción de energía) como para la creación de armas nucleares.
El mandato del OIEA incluye verificar que las instalaciones y los materiales nucleares se empleen con fines pacíficos. En virtud de sus acuerdos de salvaguardias, los Estados declaran al OIEA la ubicación, la cantidad, la composición química, la presentación física y el uso del material nuclear, y el OIEA verifica que esa información sea completa y veraz.
Mediante equipos especializados que miden la luz emitida, como el dispositivo de observación de la radiación Cherenkov de próxima generación o el dispositivo digital de observación de la radiación Cherenkov, los inspectores de salvaguardias analizan el material nuclear presente en las instalaciones nucleares y otras ubicaciones y comparan esos datos con la información proporcionada por el Estado. Por ejemplo, pueden medir la radiación Cherenkov emitida en las piscinas en las que se almacena el combustible gastado de los reactores nucleares, corroborar o refutar los datos proporcionados por el Estado, y percatarse del incumplimiento de obligaciones de uso pacífico de material nuclear.
Puede consultar más información sobre las técnicas y equipos de salvaguardias nucleares en esta publicación (en inglés).
Piscina de combustible gastado. (Fotografía: D. Calma/OIEA)
¿Qué papel desempeña el OIEA?
- Gracias a un conjunto de medidas técnicas, o salvaguardias, el OIEA verifica que los Estados cumplan sus obligaciones jurídicas internacionales relativas a los usos pacíficos de la tecnología y los materiales nucleares. Su labor de verificación independiente convierte al OIEA en un actor clave para evitar la proliferación de las armas nucleares.
- Las salvaguardias del OIEA son un componente esencial del sistema de seguridad internacional. El Tratado sobre la No Proliferación de las Armas Nucleares es la piedra angular de las iniciativas de no proliferación. En virtud de su artículo III, cada Estado no poseedor de armas nucleares deberá concluir un acuerdo de salvaguardias totales con el Organismo.
- El ámbito de la tecnología nuclear avanza día a día. La cantidad de material nuclear y el número de instalaciones nucleares que se rigen por las salvaguardias del OIEA va en aumento. Puede encontrar información práctica y actualizada en este enlace.
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.
The higher frequencies and shorter wavelengths, the bluer or more violet the light appears to the human eye. (Infographic: A.Vargas/IAEA)
Cherenkov radiation produced in the water is emitted across a broad, continuous spectrum, and most of the light is produced predominantly in the blue, violet, and ultraviolet region of the electromagnetic spectrum. (Infographic: A.Vargas/IAEA)
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.