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核反应堆中诡异的蓝光是怎样产生的?

SF中文 2023/10/15 12:32:01 责编:梦泽
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本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

美国橡树岭国家实验室的高通量反应堆。(图片来源:Genevieve Martin, ORNL)

在核反应堆中,带电粒子在水中运动时,有时就会运动得比水中的光速还快,这时还会产生一种蓝色的光芒。这种蓝光并非无用之物,它在物理学、生物学和医学等领域都有着重要的应用。

文 | 陈强

如果你看过核反应堆的照片,那么你可能会注意到堆芯周围有蓝色的光芒。这种现象被称为切伦科夫辐射(Cherenkov radiation),本质上是一种光的冲击波。

切伦科夫辐射于 1934 年由苏联物理学家帕维尔・切伦科夫(Pavel Cherenkov)首次发现。后来,苏联物理学家伊利亚・弗兰克(Ilya Frank)和伊戈尔・塔姆(Igor Tamm)成功地解释了切伦科夫辐射的成因,三人因此共同获得 1958 年的诺贝尔物理学奖。

切伦科夫辐射是如何产生的?

狭义相对论认为,物体的运动速度不可能超过真空中的光速 c。但光在介质中的传播速度是小于 c 的,比如在水中的传播速度约为 0.75c。所以,物体可以被加速到超过介质中的光速,加速的来源可以是核反应或者是粒子加速器。当带电粒子在介质中的传播速度超过光速时,它就会发出切伦科夫辐射。

具体来说,当带电粒子在介质中运动时,它会与周围介质中的分子发生相互作用,使它们激发到更高的能级。当分子回到基态时,它们会释放出一些光子,形成电磁波。

如果带电粒子运动得较慢,这些电磁波在运动方向上稍微聚集,但不会发生干涉。但是如果带电粒子运动的速度超过了介质中的光速,这些电磁波就会在粒子前方“堆叠”起来,彼此干涉,导致在与粒子运动方向成一定角度的方向上出现相干辐射,这就是切伦科夫辐射。

可与切伦科夫辐射相类比的是超音速飞机产生的音爆现象。超音速飞机在飞行时,前方产生的声波就会“堆叠”起来,形成一个冲击波,并发生音爆。因此,切伦科夫辐射可以被看成一种光的冲击波。

带电粒子运动得越快、数量越多,切伦科夫辐射就越强。切伦科夫辐射的频谱是呈连续性的,而且一个频率下的相对强度与该频率呈正比。所以,可见光波段部分的切伦科夫辐射看起来呈蓝色,因为蓝色的波长较短,其强度也更高。实际上,多数切伦科夫辐射是处在紫外线波段。

切伦科夫辐射有哪些应用?

在核电站中,切伦科夫辐射不仅可以用来检测高能带电粒子的存在,还可以用来检验使用过的核燃料棒的剩余放射性。此外,切伦科夫辐射在天体物理学和粒子物理学方面,也有着重要的应用。

例如,切伦科夫辐射在粒子物理学中常用于粒子的鉴别。通过测量一个带电粒子在某种介质中发出的切伦科夫辐射的性质,可以确定该粒子的速度。如果粒子的动量可用其他方法测量,就可以通过其动量和速度计算出粒子的质量,从而鉴别出该粒子。

另一方面,来自太空中的宇宙射线或伽玛射线暴与地球大气层相互作用时,可能会产生一对具有极高速度的电子–正电子对。这些带电粒子在大气层中发出的切伦科夫辐射可以用于确定宇宙射线或伽马射线的方向和能量。

此外,一些检测中微子的大型探测器,也会利用切伦科夫辐射来检测中微子是否与探测器内的物质发生作用。

切伦科夫辐射在生物学和医学方面也有着应用。比如,切伦科夫辐射可以用来监测生物分子的活动。科学家可以把放射性原子,如磷-32,引入到生物分子中,然后利用分子产生的切伦科夫辐射来监测它们。这样,即使被标记的生物分子的含量很少,科学家也能分析这些分子在生物体内的作用和变化。

至于医学方面,无论是注射放射性药物到人体内,还是利用放射线治疗癌症,这些都会在人体内特定的部位产生高速运动的电子,从而发出可检测的切伦科夫辐射。近年来,一些科学家开始利用切伦科夫辐射进行医学成像,以便更准确地诊断疾病。

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关键词:核反应

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