Jadrová energia – Svetlo v temnotách.

Písmo: A- | A+

Bude niekedy možné cestovať rýchlosťou svetla? A mohli by sme rýchlosť svetla aspoň vidieť?

Jadrová energia – Svetlo v temnotách. 

Obrázok blogu

Už vo svätých knihách je o svetle písané mnoho. Tu povedal Boh: „„Buď svetlo!“ a bolo svetlo. - Genezis 1:3!, alebo že „A svetlo svieti v tme a temnota ho nepremohla - Biblia-Ján 1:5“. Ale nemali by sme zabúdať aj na to, že tma je tiež aj súčasťou nášho života, veď naša planéta Zem - je vlastne neustále napolovicu ponorená pod lúče svetla a na polovicu v tme. 

Obrázok blogu

Prežívame jedno z najpodivnejších a najtemnejších období nedávnej histórie. Správy o tejto pandémii sú ohromujúce a budúcnosť ľudstva je neistá. Tí, ktorí sú zvyčajne schopní (alebo by mali byť) poskytnúť vedenie alebo pevnú ruku, sa o to ťažko snažia. Oscar Wilde kedysi povedal, že "Vizionár je ten, kto sa dokáže orientovať aj pri mesačnom svetle a uvidieť svitanie skôr ako tí ostatní." Zdá sa, že všetko, čo sme schopní urobiť s akoukoľvek mierou istoty, je iba pokus byť tu jeden pre druhého. Ale ani potom nie je často možné tu pre seba alebo blízkych byť len tak, ako sme boli zvyknutí predtým. Mnohí dnes musia o svoj život bojovať, a mnohí ten svoj boj žiaľ už aj prehrali. Ale tiež vieme, že bez problémov sa vlastne na tomto svete žiť nedá. 

Obrázok blogu

A lúč svetla v hlbokej temnote budúcnosti by pre nás určite znamenal nádej.

Je to aj preto, lebo všeobecne možno povedať, že svetlo slúži ako symbol života, šťastia, prosperity a v širšom zmysle slova dokonalého bytia. Ako symbol života môže svetlo slúžiť aj ako symbol nesmrteľnosti. Tma je na druhej strane spojená s chaosom, smrťou a podsvetím. Deň, svetlo a dobro sú často spájané dohromady, na rozdiel od noci, tmy a zla. Tieto kontrastné metafory siahajú až do histórie ľudstva a objavujú sa v mnohých kultúrach vrátane starej Číny i starej Perzie. Nielen kresťanstvo, ale aj filozofia neoplatonizmu je silne presiaknutá́ metaforou dobra ako svetla. 

Áno jednoznačne potrebujeme nádej, ale na druhej strane by sme mali byť aj viac opatrní.

Pretože práve veda je tým najlepším nástrojom, ktorým môžeme svetu okolo nás správne porozumieť. Žiaľ, dnes sme však svedkami toho, že mnohí proti vede vedú kampaň a vedcov hanobia. Výsledkom je, že sa plošne šíria informácie, ktoré fakty úplne postrádajú. 

  • Tak ako je to s tým svetlom v tme?

  • Ale je niečo také vôbec z fyzikálneho pohľadu možné?

  • Kevin Dieter
    Kevin Dieter 
    Môžeme my v tme vôbec svetlo vidieť? Zdá́ sa, že áno, podľa výsledkov výskumov niektorí ľudia môžu „vidieť“ dokonca aj v úplnej tme. Údajne minimálne 50 percent ľudí vidí pohyb vlastnej ruky aj pri absencii všetkého svetla. Post doktorand na Vanderbiltovej univerzite, Kevin Dieter, vymyslel experimenty na štúdium tohto fenoménu. Vo výsledkoch zverejnených v časopise Psychological Science to vysvetľuje tak, že „To, čo bežne vnímame ako zrak, je v skutočnosti rovnakou funkciou nášho mozgu ako naše oči,“. Myšlienka štúdie vznikla od profesorov kognitívnych vied Duje Tadina z University of Rochester a Randolpha Blakea z Vanderbilt, ktorí na túto udalosť narazili pri príprave experimentov pre úplne iný výskum. 

Ako to teda vidíme našimi očami?

Obrázok blogu

V úplnej tme teoreticky nikto z nás nič nevidí, pretože podľa definície by mala tma pohlcovať vśetko svetlo. Našťastie je takmer vždy nejaké svetlo k dispozícii. Aj keď je to iba napríklad tlmené svetlo hviezd, aj to stačí na to, aby naše oči videli. Je to vlastne úžasné, ako málo svetla je na to potrebné. Naše ľudské oči majú dve hlavné pomôcky, ktoré nám pomáhajú lepšie vidieť aj pri slabom osvetlení: - je to schopnosť̌ našich zreničiek meniť veľkosť, - a to, že v oku máme viacero rôznych typov buniek.

Obrázok blogu

A z nich pre túto oblasť sú pre nás dôležité naše očné foto-receptory, svetlo-citlivé bunky, ktoré sa delia na tyčinky a kužele. A práve tieto dva hlavné typy nám pomáhajú. Tyčinky umožňujú videnie za horšieho svetla, zatiaľ čo kužele sú zodpovedné za farebné videnie. Foto-receptory premieňajú svetlo na elektrické signály, ktoré prechádzajú ďalšími neurónmi sietnice a nakoniec sa dostávajú do optického nervu. Takže môžeme vidieť nielen farebne, ale aj v tme.... 

A ako je to so svetlom a jeho rýchlosťou? 

Svetlo je v ponímaní fyzickej optiky elektromagnetické žiarenie vnímané ľudským okom. 

Obrázok blogu

Ako hranica spektrálneho rozsahu zaberaného svetlom s krátkou vlnovou dĺžkou sa berie oblasť s vlnovými dĺžkami vo vákuu 380 - 400 nm (750 - 790 THz) a ako hranica s dlhou vlnovou dĺžkou oblasť 760 - 780 nm ( 385 - 395 THz). 

Obrázok blogu

Prvý známy diskurz o rýchlosti svetla pochádza od starogréckeho filozofa Aristotela, ktorý o to diskutoval s ďalším gréckym vedcom Empedoklom. Empedokles tvrdil, že pretože sa svetlo pohybuje, musí cestovanie nejaký čas trvať. Aristoteles, veriac že sa čas pohybuje okamžite, samozrejme s ním nesúhlasil. 

Obrázok blogu

Rýchlosť svetla vo vákuu ktorú zvyčajne označujeme ako „C“ je 299 792 458 km za sekundu – ale bežne sa používa okrúhla hodnota 300 000 km/s. Takže napríklad, pretože je Slnko vzdialené 150 miliónov km od Zeme, trvá cesta svetlu k nám iba osem minút a 17 sekúnd. Aj keď je táto rýchlosť najčastejšie spájaná so svetlom, je to tiež rýchlosť, akou všetky nehmotné častice a poruchy poľa „cestujú“ vo vákuu, vrátane elektromagnetického žiarenia (ktorého svetlo je vo frekvenčnom spektre v malom rozsahu) a gravitačných vĺn. Elektromagnetické zákony (známe ako Maxwellove rovnice) hovoria, že rýchlosť elektromagnetického žiarenia „C“ nezávisí od rýchlosti objektu vyžarujúceho žiarenie; preto sa svetlo vyžarované z rýchlo pohybujúceho sa zdroja, šíri takou istou rýchlosťou ako svetlo vyžarované zo statického zdroja, hoci sa na základe relativistického Dopplerovho javu farba, frekvencia, energia a hybnosť svetla zmení. Ak sa skombinuje pozorovanie s princípom relativity, všetci pozorovatelia namerajú rovnakú rýchlosť svetla vo vákuu, nezávislo od vzťažnej sústavy pozorovateľa alebo rýchlosti objektu vyžarujúceho svetlo.

Paul Sutter
Paul Sutter 

Posledné výsledky pozorovaní sú pozoruhodné, pretože aj keď sa rýchlosť svetla často označuje ako rýchlostný limit vesmíru, vesmír sa v skutočnosti rozpína ešte rýchlejšie.
Podľa astrofyzika Paula Suttera sa vesmír rozpína rýchlosťou zhruba 68 kilometrov za sekundu na megaparsec, pričom megaparsec je 3,26 milióna svetelných rokov. Zdá sa teda, že galaxia vzdialená 1 megaparsec odchádza z preč Mliečnej dráhy rýchlosťou 68 km/s, zatiaľ čo galaxia vzdialená dva megapareksy ustupuje rýchlosťou 136 km/s. Takže „V určitom okamihu, v určitej obscénnej vzdialenosti, sa táto rýchlosť preklápa nad hmotnosťou a presahuje rýchlosť svetla, a to všetko z prirodzeného pravidelného rozširovania priestoru,“ Trošku už zložité? No tak to zjednodušíme.... 

Často sa diskutuje že či bude niekedy možné cestovať rýchlosťou svetla? 

Bohužiaľ na základe nášho súčasného chápania fyziky a limitov prírodného sveta je odpoveď že nie.

Cestovanie rýchlosťou svetla a cestovanie rýchlejšou ako svetlo sú pre čokoľvek spojené s hmotou, ako sú kozmické lode a ľudia (zatiaľ) fyzicky nemožné. 

A mohli by sme rýchlosť svetla aspoň vidieť?

Obrázok blogu

A tu je pre mnohých asi prekvapivá odpoveď – Áno!
Vo fyzike (ale aj v našom skutočnom svete) je to možné...... 

Ako je to možné? 

Jednoducho. Akákoľvek nabitá častica pohybujúca sa médiom rýchlejšie ako svetlo – teda tzv. relatívnou, fázovou rýchlosťou (tj. rýchlosťou v danom médiu) vyžaruje tzv. „Čerenkovovo žiarenie“. Fázová rýchlosť nabitej častice v danom médiu totiž môže prekročiť rýchlosť svetla. 

V jednoduchosti povedané – Typické „Čerenkovovo žiarenie“ je bežným javom v jadrovej energetike, spôsobené nabitými časticami „vylietavanými“ z čerstvo vytiahnutého vyhoreného jadrového paliva z jadrového reaktora (alebo je ešte v reaktore) , ktoré je v bazéne chladené vodou. 

Obrázok blogu

Rýchlosť svetla (asi 300 000 kilometrov za sekundu vo vákuu, kde je index lomu 1,0), sa vo vode totiž spomalí na 225 000 kilometrov za sekundu (index lomu 1,3) a v skle napríklad až na 200 000 km za sekundu (lom index 1,5). A preto sa tam častice vylietajúce z jadrového paliva celkom ľahko pohybujú aj rýchlosťou väčšou ako je rýchlosť svetla vo vode. 

Keď elektrón ide rýchlejšie ako svetlo vo vzduchu a vode.

Ako na to prišli? Úplnou náhodou. A stalo sa to v Sovietskom zväze. 

Sergej Ivanovič Vavilov
Sergej Ivanovič Vavilov 

V septembri 1932 bol Sergej Ivanovič Vavilov vymenovaný za vedeckého riaditeľa Štátneho optického ústavu (GOI) v Leningrade. V tomto „hlavnom meste severu“ viedol aj fyzikálne oddelenie Fyzikálneho a matematického ústavu Akadémie vied ZSSR. Podľa spomienok pracovníkov ústavu sa s jeho príchodom na katedre fyziky vedecký život viditeľne oživil. Zmeny sa dotkli hlavne študentov postgraduálneho štúdia. Okrem doplňujúcich prednáškových kurzov z matematiky a fyziky, dostal každý absolvent vedeckého poradcu. Medzi nimi boli traja mladí nádejní vedci - Nikolaj Dobrotin, Pavel Čerenkov a Anton Sevčenko - Vavilov. Všetci traja sa následne stali slávnymi fyzikmi a jeden sa stal laureátom Nobelovej ceny. Vavilov svojim postgraduálnym študentom navrhol témy výskumu týkajúce sa fyziky atómového jadra. Je potrebné poznamenať, že rozhodnutie bolo na tú dobu veľmi odvážne. Neutrón bol objavený iba o rok predtým a o štruktúre atómového jadra sa stále iba diskutovalo. Len málo vedcov dokázalo tak predvídať veľkú budúcnosť jadrovej fyziky, ale Sergej Ivanovič Vavilov bol medzi nimi. Ponúkol svojim študentom výber z troch tém: luminiscencia roztoku solí uranylu pod vplyvom radiačného gama žiarenia; výskum vlastností neutrónov; a štúdium izotopových účinkov. Postgraduálny študent Pavel Čerenkov sa rozhodoval študovať luminiscenciu solí uranylu, alebo vedecky luminiscenciu.

Vavilov a mladý Čerenkov
Vavilov a mladý Čerenkov 

Sergej Vavilov k teórii luminiscencie nesmierne prispel. Bol to najmä on, kto prispel do definície luminiscencie z hľadiska doby rozpadu. Vavilov tiež vyvinul experimentálne metódy, ktoré umožňujú určiť hlavné charakteristiky luminiscenčných látok. Ako Čerenkovov mentor pristupoval k výskumu svojho postgraduálneho študenta s veľkou pozornosťou a nadšením. Zúčastnil sa aj meraní, a oboznámil absolventa s jeho vlastnou metódou fotometrie podľa prahu videnia.

Čo ale, aké záhadné žiarenie teda uvidel Čerenkov počas svojich experimentov? 

Veď žiara rôznych kvapalín pod vplyvom gama lúčov bola spozorovaná už skôr. Pravdepodobne prvá, ktorá videla také žiarenie, bola Marie Curie. V jej dielach je už slabá modrá žiara v roztokoch s rádiom uvádzaná. Daj ďalší výskumník Malle v roku 1926 tiež zaznamenal zvláštnu žiaru tekutín rádioaktívnych látok. Francúzsky fyzik si však žiaru zmýlil, a keď pozoroval luminiscenciu, tak už ďalší výskum neurobil. 

Pavel Čerenkov v dospelosti
Pavel Čerenkov v dospelosti 

Pavlovi Čerenkovovi treba zložiť poklonu pre jeho vytrvalosť, s akou pristúpil k štúdiu objaveného javu. Dnes je o tom ľahko písať, ale keď robil svoje experimenty, musel v laboratóriu stráviť nespočetné hodiny. Veď si predstavte, že len na prípravu ešte pred začiatkom každého z experimentov musel byť jeden a pol hodiny v laboratóriu v úplnej tme, aby si oči zvykli a mohol byť schopný robiť potrebné úkony. Skúsenosti a znalosti Sergeja Vavilova mu predovšetkým pomohli pochopiť, že ním detekovaná žiara nie je luminiscencia, ale má charakter niečo iného. 

Prvé správy o objave boli zverejnené koncom mája 1934 v časopise „Reports of the USSR Academy of Sciences“. Jeden článok napísal Pavel Čerenkov, druhý jeho vedecký poradca Sergej Vavilov. Obidve publikácie boli ale v skutočnosti dvoma časťami jednej štúdie o doposiaľ neznámom fenoméne nazvanom „Vavilovovo-Čerenkovovo žiarenie“. 

Ako sovietski fyzici vysvetľovali „modrú žiaru“? 

Čerenkov vo svojom článku hovorí o uskutočnených experimentoch, ako aj o ich výsledkoch merania vlastností novej žiary: - jas, - polarizácia, - spektrálne zloženie. Vavilov sa snaží poskytnúť teoretickú interpretáciu detekovaného žiarenia. Jeho článok mal názov - „O možných príčinách modrej gama žiary tekutín“. Na základe svojich experimentov Sergej Vavilov tvrdil, že pozorovaná modrá žiara „vôbec nemôže byť akýmkoľvek druhom luminiscencie“. 

Podľa jeho hypotézy je žiarenie spôsobené pohybom elektrónov v médiu, na rozdiel od bežného tepelného žiarenia, ktoré je spôsobené pohybom atómov. Samotný Vavilov, hoci tento predpoklad vyslovil, ho ešte vtedy nepovažoval za konečný. A hľadal ďalej - pokračoval v aktívnych diskusiách s kolegami, plánoval ďalšie experimenty na vysvetlenie podstaty žiarenia. Ako prví našli správne teoretické odôvodnenie sovietski fyzici Igor Evgenijevič Tamm a Ilja Ivanovič Frank. V roku 1937 publikovali množstvo teoretických prác, kde sa Čerenkovovo žiarenie vysvetľovali rovnomerným a priamočiarym pohybom nabitých častíc média s rýchlosťami, ktoré presahujú rýchlosť svetla v danom médiu. 

Princíp spočíva (ako sme už naznačili skôr) že rýchlosť svetla vo vode je cca o štvrtinu menšia ako vo vákuu. Preto vysokoenergetický elektrón svetlo vo vode „predbehne“ ale zároveň nepresiahne rýchlosť svetla vo vákuuAk takáto častica letí vodou, vytvára elektromagnetickú tlakovú vlnu, ktorá v sebe prenáša energiu pri rôznych vlnových dĺžkach elektromagnetického žiarenia vrátane viditeľného svetla. A kedže sa na fialovom konci dúhy vytvára viac energie ako na červenej, takže sa nám svetlo javí ako modré. Oveľa neskôr, v polovici 50. rokov, sa sovietskym fyzikom podarilo tento efekt zachytiť aj na farebnej fotografii.
Sergei Vavilov bol jedným z prvých, ktorí prijali myšlienku Tamma a Franka. Po vykonaní série experimentov na jej otestovanie s teóriou súhlasil aj Pavel Čerenkov. Na Vavilovu radu si o tomto novom efekte postgraduálny študent pripravil krátky článok v angličtine a poslal ju do známeho londýnskeho vedeckého časopisu Nature. Redakčná rada časopisu však článok na zverejnenie z nepochopiteľných dôvodov neakceptovala. A tak Vavilov poradil Čerenkovovi, aby článok poslal do amerického časopisu Physical Review. A tam to vyšlo v roku 1937.

Obrázok blogu

V roku 1946 dostali Sergej Vavilov, Igor Tamm, Iľja Frank a Pavel Čerenkov Stalinovu cenu 1. stupňa - v tom čase najvyšší štátny znak vedeckého uznania. Vavilov však svetovú slávu svojho objavu nezažil - v roku 1951zomrel. Až o sedem rokov neskôr dostali Tamm, Frank a Čerenkov Nobelovu cenu za fyziku - „za objav a vysvetlenie Čerenkovovho javu“. Uznávaný, renomovaný fyzik Manne Sigban z Kráľovskej Švédskej akadémie vied vtedy v príhovore uviedol: “Objav toho, čo dnes nazývame „Čerenkovov efekt“ je zaujímavý príklad toho, ako relatívne jednoduché pozorovanie fyzikálneho javu môže viesť k dôležitému objavu a môže ukázať nové vedecké prístupy, keď je správne uchopené.”

Aj pri zachovaní svojho zásadného významu nemala Čerenkovova teória žiarenia spočiatku žiadne praktické aplikácie. Avšak následne boli vytvorené Čerenkovove počítadlá na meranie rýchlosti jednotlivých vysokorýchlostných častíc. Definícia rýchlosti je založená na skutočnosti, že čím rýchlejšie sa častica pohybuje, tým užší je Čerenkovov kužeľ. Pretože žiarenie má energetický prah a je reprezentované krátkymi impulzmi, môže počítadlo odfiltrovať častice s nízkou rýchlosťou a rozlíšiť dve častice prichádzajúce takmer súčasne. Pri registrácii žiarenia sa zaznamenávajú aj informácie o hmotnosti a energii častice. Keď napríklad Owen Chamberlain a Emilio Segre v roku 1955 objavili antiproton, negatívne jadro vodíka, použili presne tento typ detektora. Neskôr bol napríklad použitý aj v počítadle kozmického žiarenia na sovietskom umelom satelite „Sputnik-111“.

Obrázok blogu

Nakoniec počas mnohých rokov našlo Vavilovovo-Čerenkovovo žiarenie skutočne veľa aplikácií. Aj technika Čerenkovových počítadiel bola veľmi vyvinutá. Zariadenia sa rýchlo dostali do arzenálu fyziky vysokých energií - na určovanie rýchlosti častice, jej náboja a ďalších charakteristík. Na začiatku 60. rokov bol v ZSSR vytvorený najväčší Čerenkovov pult na svete. S jeho pomocou sa skúmala najmä mnohonásobná produkcia „mezónov“ elementárnych častíc v jadrových interakciách pri vysokých energiách. 

Čerenkovov detektor Super-Kamiokande
Čerenkovov detektor Super-Kamiokande 

V roku 1996 začal v Japonsku fungovať obrí Čerenkovov detektor Super-Kamiokande s priemerom asi 40 metrov a kapacitou 50-tisíc ton vody. Tento gigant umožnil uskutočniť dôležité objavy vo fyzike neutrín - tajomnej, nepolapiteľnej častice. Obrovská veľkosť počítadla umožňuje registrovať jednotlivé a nie príliš časté interakcie neutrín s protónmi a neutrónmi v atómových jadrách prvkov, ktoré tvoria vodu (kyslík a vodík). Neutrína sa „ukazujú“ cez Vavilovovo-Čerenkovové žiarenie, ktoré žiari pri prechode vodným stĺpcom. Toto žiarenie je zachytené a podrobne analyzované. Je možné s vysokou presnosťou určiť typ neutrína, ktoré spôsobilo reakciu, ako aj energiu a smer impulzu. Takže v roku 1987 Super-Kamiokande napríklad zaregistroval aj neutrína generované výbuchom vesmírnej supernovy vo Veľkom Magellanovom mračne a položil základ neutrínovej astronómii. 

Obrázok blogu

Neskôr, kvôli lepšiemu lovu neutrín, boli detektory umiestnené v jazerách. Napríklad najväčší neutrínový ďalekohľad na severnej pologuli sa nachádza pri Bajkalskom jazere. Prevádzkuje ho spoločnosť Bajkal-GVD, ktorá ho začala stavať roku 1990 a najnovšia verzia ďalekohľadu bola práve uvedená do prevádzky. Bajkal-GVD hrá dôležitú úlohu pri formovaní neutrínovej siete na svete - pripojil sa k detektoru IceCube, ktorý zachytáva neutrína na južnom póle, ako aj k projektom ANTARES a KM3NeT v Stredozemnom mori. Vedci čakajú na nové senzačné objavy - registráciu reliktných neutrín, ktoré povedia o prvých sekundách nášho vesmíru po Veľkom tresku a jeho ďalšom vývoji.

Vavilov-Čerenkovov efekt si našiel svoje miesto aj v medicíne a radiačnej terapii. Toto žiarenie nastáva, keď sa počas rádioterapie pohybujú nabité častice médiom, teda ľudským telom. Metóda s názvom „Čerenoskopia“ zvýši cielenosť rádioterapie. To znamená, že žiarenie je možné nasmerovať a dávkovať s vysokou presnosťou, čím sa dosiahne hlavný cieľ - zničiť nádor bez ovplyvnenia zdravého tkaniva. 

Obrázok blogu

Dá sa zjednodušene povedať že Vavilovo - Čerenkovovo žiarenie nám doslova osvetľuje cestu k novým vedeckým objavom a pre niekoho jednoducho „osvetľuje“ život. 

Napríklad také ryby v hĺbke mnohých kilometrov v oceáne. Faktom je, že rádioaktívny izotop vápnika keď je rozpustený v morskej vode, emituje rýchle elektróny, ktoré svietia namodro. Vďaka tomu si všetky hlbokomorské ryby zachovali svoje oči a môžu vidieť! Žiara Vavilov-Čerenkova je pre nich teda skutočným „lúčom svetla v temnom kráľovstve“. 

Pavel Alexejevič Čerenkov zomrel 6. januára 1990 na obštrukčnú žltačku. Pochovaný je v Moskve na Novodevičom cintoríne.

Skryť Zatvoriť reklamu