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无界物流空包:切尔诺贝利的“死亡蓝光”是什么?

更新时间:2019/8/17 / 阅读次数:255

  无界物流空包 :美国HBO和英国天空电视台联合推出的五集电视迷你剧《切尔诺贝利》,凭借对史上最严重核变乱的真实还原,对严酷环境下人性的深度刻画,受到美剧迷的热捧。


  第一集开始阶段的场景就令人印象深刻,核电站出现一道蓝光,刺向夜空。


  这是为烘托核灾祸恐怖气氛而虚构的视觉效应,还是可以用科学解释的实际情景?


  切尔诺贝利变乱发生的时候并无留下影像资料,但是有目击者陈述,他们确实看到了核电站上空出现有蓝光。这些陈述还被写入了变乱调查报告,所以蓝光的出现应该是真实可信的。


  辣么恐怖的蓝光又因何而起呢?一些科普文章谈到,蓝光是由于切连科夫辐射。事实果真如此吗?接下来,就让我们先打听什么是切连科夫辐射,再探讨蓝光的由来。


  老现象 新研究


  切连科夫辐射以苏联物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫的名字命名。


  切连科夫于1904年7月28日生于沙俄沃罗涅日一个农民家庭,1928年毕业于苏联沃罗涅日国立大学数学和物理系,之后做高中教师,1930年进入苏联科学院数学和物理研究所读研究生。两年后,他随导师谢尔盖·瓦维洛夫转至新成立的列别捷夫物理研究所。瓦维洛夫是发光研究平台的大牛,给切连科夫指定的题目是自己平台里的一个常规选题,研究放射线使液体发光的现象。


  水等透明介质经放射线照射会产生淡蓝色的光,这一现象早已经被古人所观察到了,但古人给出的解释是,蓝色辉光是一种荧光。这里说的古人可不是普通的人,其中就有居里夫人这样研究放射科学的权威。瓦维洛夫给切连科夫布置这个选题,仅期待自己的研究生把这一现象研究得更清楚些,没指望能得到什么颠覆性的成果。然而,作为初出茅庐的科研小将,切连科夫却做出了惊天发现。


  当时,切连科夫连简单测量光强度的仪器都没有,他的导师瓦维洛夫因陋就简,研究了一套用人的眼睛测量光强度的方法,而应用这种方法,需要让眼睛先适应黑暗一个小时。切连科夫以极大的耐心和高昂的热情进行实验,几年如一日,每天先在漆黑的实验室枯坐一小时,让眼睛适应黑暗,然后以自己的眼睛为仪器,观察淡淡的辉光。切连科夫仔细去除液体中的任何杂质,换各种液体一遍遍重复自己的实验,最终确认他观察到的辉光不是荧光,并且液体所发辉光不是向四面八方均匀发出的球形波,而是圆锥形波。切连科夫发现了一种新的电磁辐射,后来这一辐射也被命名为切连科夫辐射。


  核电站的核反应堆开机之后,关上灯,核燃料周围的冷却液里散发的美丽的蓝色光芒正是切连科夫在实验室里苦苦观察的新辐射现象。


  新现象 老原理


  切连科夫的导师瓦维洛夫将切连科夫的实验展示给同事理论物理学家伊戈尔·塔姆和伊利亚·弗兰克,和他们一起思考,实验现象背后的原理是什么。这其中主要涉及以下三个问题:


  · 切连科夫辐射是若何产生的?


  · 切连科夫辐射为什么有方向性?


  · 切连科夫辐射为什么是蓝光?


  在1937年,塔姆和弗兰克对切连科夫的发现及随之带来的疑问给出了圆满的解答。


  切连科夫辐射是若何产生的?


  带电粒子运动速度发生改变会产生电磁辐射。辣么,切连科夫辐射对应的是哪一种带电粒子呢?


  切连科夫的实验发现,液体里面有电子在跑。


  切连科夫用于照射液体的放射线是伽马射线,能量很高,可以把液体分子里的电子打出来。这是1920年代美国物理学家康普顿和他的中国研究生吴有训发现的现象,叫做康普顿效应,打出的电子也被称为康普顿电子。


  通过用放射线照射液体,液体里面会产生运动的电子。但康普顿电子基本是匀速跑的,为什么会产生辐射?


  康普顿电子在液体里面跑的时候,会扰动液体分子里的电子,受扰动的电子便会辐射光波,这即是切连科夫辐射的来源。


  为什么切连科夫辐射有方向性呢?


  如果康普顿电子跑得比光慢,受到扰动的分子辐射的光波的情形如下动图所示:


  图中每个圆圈表示的即是每个受到扰动的分子辐射的光波的传播。可以看出,此韶光向各个方向传播,为球形波。


  如果康普顿电子跑得比光快,情形如下:


  由上图可看出,辐射的光波是圆锥形波。


  且慢,我们有物理常识,光速是速度的极限,电子怎么可以超光速运动?


  我们所说的光速是速度极限,指的是光在真空中的速度(每秒30万公里)。光也可以通过透明物质,但速度会慢下来。好比,光在玻璃中的速度大约是在真空中的速度的三分之二,光在水中的速度大约是在真空中的速度的四分之三。液体里面跑的康普顿电子可以比液体中的光快,但依然比真空中的光速慢,所以这不违反相对论。


  我们可以将切连科夫辐射与超音速飞机造成的音爆相类比。康普顿电子类似正在飞行的超音速飞机,而切连科夫辐射则相当于声波。历史上,塔姆和弗兰克成功解释切连科夫辐射,确实受到了音爆理论的启发。


  塔姆和弗兰克还可以在理论上证明,切连科夫辐射主要是紫外光,当带电粒子在液体中速度非常高时,切连科夫辐射会有紫-蓝色可见光。高频可见光中,人眼对蓝光更为敏感,因此,可见光波段片面的切连科夫辐射看起来呈亮蓝色。


  因对透明介质经放射线照射产生蓝光这一现象的出色研究,切连科夫、塔姆和弗兰克获得1958年的诺贝尔物理奖。


  对照神奇的是,在苏联人思考这个问题的50年前,其实已经有人预言了切连科夫辐射。


  英国自学成才的物理学家和电气工程师奥利弗·亥维赛德(Oliver Heaviside)在1888年至1912年间写了多篇论文,讨论透明介质中超光速运动的点电荷的辐射。可惜,亥维赛德的理论无人理睬,渐渐淹没在文献的故纸堆中,被人遗忘。


  历史还给了人们预见切连科夫辐射的第二次机会。1904年,德国物理学家、史上获得诺贝尔奖提名次数至多的物理学家阿诺尔德·索末菲(Arnold Sommerfeld)独立于亥维赛德,也做出了类似的理论。索末菲尽管在物理学界职位崇高,他的理论依然在当时没有得到什么关注。


  直到1974年,这些被遗忘的文献才被人重新发现。这时,亥维赛德和索末菲早已去世,而苏联人也已经获得诺贝尔奖16年了。


  切尔诺贝利核电站上方的蓝光是什么?


  辣么切尔诺贝利核电站上方的蓝光是切连科夫辐射吗?


  其实并不是。要出现切连科夫辐射,需要有超光速运动的粒子。切尔诺贝利核电站上方的蓝光出现在空气中,而空气中的光速与真空中的光速差别不大,是真空中光速的99.97%,核电站的核反应里几乎不会出现比这个速度还高的粒子,因此在核电站周围的空气里不会有切连科夫辐射。


  不过,在核反应堆周围的冷却水里就不一样了。水中的光速是真空中光速的四分之三,核反应堆产生的电子,以及高能射线在水中打出的康普顿电子,速度很容易就超过水中的光速了,因此能够导致切连科夫辐射,使水散发幽幽蓝光。


  当年目击者看到的蓝光又是什么呢?


  核电站的核反应产生的粒子不足以在空气中产生切连科夫辐射,但足以使空气中的氮气和氧气分子能量升高,处于引发态,等氮气和氧气分子再回到低能量的常态时,就会辐射出蓝色辉光。这即是切尔诺贝利核电站发生爆炸之后,射向空中的蓝光的来源。


  电视剧所展现的一道蓝光冲夜空,很可能即是切尔诺贝利核电站爆炸时的真实情景。然而,蓝光的起因不是切连科夫辐射,而是空气电离。


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