切尔诺贝利的“死亡蓝光”是什么?


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由美国HBO和英国天空电视台共同推出的五集电视迷你剧《切尔诺贝利》,真实地恢复了历史上最严重的核事故,深受美国戏剧爱好者的喜爱,深刻体现了人类对人性的深刻印象。恶劣的环境。

第一集开头的场景令人印象深刻,核电站发出蓝光,刺伤了夜空。

这是一种虚构的视觉效果,可以引发核灾难的恐怖气氛,还是一种可以用科学解释的实际场景?

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切尔诺贝利事故没有留下任何图像信息,但目击者表示他们确实看到了核电站的蓝光。这些陈述也写入了事故调查报告,因此蓝光的出现应该是真实可信的。

那么为什么可怕的蓝光来自?一些科普文章称蓝光是由切伦科夫辐射引起的。这是真的吗?接下来,让我们先了解切伦科夫的辐射是什么,然后探索蓝光的起源。

旧现象新研究

切伦科夫辐射以苏联物理学家帕维尔阿列克谢耶维奇切伦科夫的名字命名。

切伦科夫于1904年7月28日出生在俄罗斯沃罗涅日的一个农民家庭。他于1928年毕业于沃罗涅日州立大学数学与物理系,之后担任高中教师。 1930年,他进入苏联科学院数学与物理研究生院。两年后,他和讲师谢尔盖瓦维洛夫一起搬到了新成立的列别杰夫物理研究所。 Vavilov是发光研究领域的一头大牛。给切伦科夫的主题是他所在领域的一个常规话题,研究辐射导致液体发光的现象。

809d-ichcymw2452879.jpg诺贝尔奖获奖者宣传墙,从左至右:Cherenkov,Tam,Frank,Basov,Prokhorov,Sakharov,Jinzburg(来源):维基百科)

透明介质如水通过辐射发出淡蓝色光,这已由前人观察到,但前人给出的解释是蓝色光是一种荧光。这里提到的前辈不是普通人。其中,居里夫人研究放射学的权威。瓦维洛夫让切伦科夫选择了这个话题,只希望他的研究生更清楚地研究这一现象,并且不要指望任何颠覆性的结果。然而,作为科学研究的新手,切伦科夫发现了令人震惊的发现。

那时,切伦科夫甚至没有一种简单的测量光强度的仪器。他的导师Vavilov简单地研究了用人眼测量光强度的方法。要应用这种方法,眼睛需要首先适应黑暗。一小时。切伦科夫以极大的耐心和高度的热情进行了实验。几年来,他每天都在黑暗的实验室里坐了一个小时,让眼睛适应黑暗,然后用自己的眼睛作为仪器来观察微弱的光芒。光。切伦科夫小心地去除了液体中的任何杂质,用各种液体一遍又一遍地重复他的实验,最后确认他观察到的辉光不是荧光,液体发出的辉光不是均匀发射的球形波。方向。这是一个圆锥形的波浪。切伦科夫发现了一种新型的电磁辐射,后来被命名为切伦科夫辐射。

在核电站核反应堆开启后,灯关闭,核燃料周围冷却剂发出的美丽蓝光是切伦科夫在实验室观察到的新辐射。

b8bf-ichcymw2454065.jpg核反应堆冷却剂发出微弱的Cherenkov辐射辉光(照片:Youtbube:核反应堆内的奇异放射性荧光)

新现象老原则

切伦科夫的辐射是如何产生的?

为什么切伦科夫辐射方向?

为什么切伦科夫辐射蓝?

1937年,谭和弗兰克对切伦科夫的发现和随后的问题给出了满意的答案。

19ec-ichcymw2455022.jpg Ilya Frank(左)和Igor 维基百科)

切伦科夫的辐射是如何产生的?

带电粒子速度的变化产生电磁辐射。那么,Cherenkov辐射对应哪种带电粒子?

切伦科夫的实验发现电子在液体中运行。

切伦科夫用来照射液体的辐射是伽马射线,它具有高能量并且可以从液体分子发射电子。这是美国物理学家康普顿和他的中国毕业生吴有勋在20世纪20年代发现的现象。它被称为康普顿效应,产生的电子也称为康普顿电子。

41a1-ichcymw2455900.jpg高能辐射可以摧毁原子中的电子。这称为康普顿效应。发射的电子称为康普顿电子。 Youbube:Compton Scattering)

通过用辐射照射液体,在液体内部产生移动的电子。但康普顿电子基本上以恒定速度运行。为什么会产生辐射?

当康普顿电子在液体中运行时,它将扰乱液体分子中的电子,受干扰的电子将辐射光波。这是切伦科夫辐射的来源。

490f-ichcymw2457464.gif当康普顿电子在液体内部运行时,它会干扰液体分子中的电子,从而产生辐射。 Youtube:切伦科夫辐射如何发挥作用?)

为什么切伦科夫辐射方向?

如果康普顿电子比光慢,则辐射光波的受干扰分子的情况如下:

5f1f-ichcymw2458698.gif图中的黑点等同于电子,圆圈从受电子干扰的分子发出光波。电子速度比光慢传播,并且光波在所有方向上大致均匀地辐射。 Youtube:什么是切伦科夫辐射?)

图中的每个圆圈表示由每个受干扰的分子辐射的光波的传播。可以看出,此时,光在各个方向上传播并且是球面波。

如果康普顿电子的运行速度比光速快,情况如下:

c644-ichcymw2459676.gif图中的绿点相当于电子,圆圈从受电子干扰的分子发出光波。电子速度比光传播得更快,并且光波在垂直于锥形表面的方向上传播。 Youtube:什么是切伦科夫辐射?)

从上图可以看出,辐射光波是锥形波。

而且速度慢,我们有物理常识,光速是速度的极限,电子如何超越光速?

光速是速度限制,指的是真空中的光速(每秒300,000公里)。光也可以通过透明物质,但速度较慢。例如,玻璃中的光速约为真空中的三分之二,水中的光速约为真空中的四分之三。液体中的康普顿电子比液体中的光更快地传播,但仍然比真空中的光慢,因此这不违反相对性。

我们可以将Cherenkov辐射与超音速飞机引起的声波轰击进行比较。康普顿电子类似于飞行超音速飞机,而切伦科夫辐射对应于声波。历史上,谭和弗兰克成功地解释了切伦科夫的辐射,这确实受到音爆理论的启发。

879b-ichcymw2460361.jpg超音速飞机产生的音爆。当锥体边缘的冲击波穿过观察者的位置时,他听到一声他以前听不到的爆炸声。 维基百科)

谭和弗兰克在理论上也可以证明切伦科夫辐射主要是紫外线。当带电粒子在液体中非常快时,Cherenkov辐射将具有紫蓝色可见光。在高频可见光中,人眼对蓝光更敏感,因此可见光带中的切伦科夫辐射呈现亮蓝色。

Cherenkov,Tam和Frank因其对辐射辐射透明介质产生的蓝光现象的出色研究而获得1958年诺贝尔物理学奖。

065a-ichcymw2461185.jpg 1958年诺贝尔奖得主,左三是谭,右三是切伦科夫,右二是弗兰克。 dnalc.org)

更令人惊奇的是,50年前当苏联人思考这个问题时,有些人实际上预测了切伦科夫的辐射。

Oliver Heaviside是英国自学成才的物理学家和电气工程师,他在1888年至1912年间撰写了几篇论文,讨论透明介质中超轻速运动的点电荷辐射。令人遗憾的是,休伊特的理论无人看管,逐渐被淹没在文献中的一堆文件中而被遗忘。

bed2-ichcymw2461976.jpg Oliver 维基百科)

历史也给了人们第二次机会来预测切伦科夫的辐射。 1904年,德国物理学家和诺贝尔奖历史上最受提名的物理学家阿诺德索默菲尔德独立于海维赛德,并提出了类似的理论。尽管索默菲尔德在物理学领域享有很高的地位,但他的理论在当时仍然没有受到太多关注。

5ff0-ichcymw2462677.jpg Arnold 维基百科)

直到1974年才重新发现了这些被遗忘的文件。在这个时候,Heaviside和Sommerfeld已经很古老了,苏联人已经获得了16年的诺贝尔奖。

切尔诺贝利核电站上方的蓝灯是什么?

切尔诺贝利核电站切伦科夫辐射上方的蓝光也是如此?

其实并不是。为了产生Cherenkov辐射,需要具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中,空气中的光速与真空中的光速差别不大。它是真空中光速的99.97%。核电厂的核反应几乎不高于这个速度。颗粒,因此核电站周围的空气中不会有切伦科夫辐射。

但是,核反应堆周围的冷却水不同。水中的光速是真空中光速的四分之三。由核反应堆产生的电子和由水中的高能射线发射的康普顿电子很容易超过水中的光速,从而引起切伦科夫辐射。水发出微弱的蓝光。

目击者过去看到的蓝灯是什么?

核电厂的核反应产生的颗粒不足以在空气中产生Cherenkov辐射,但足以提高空气中氮和氧分子的能量,处于激发态,并且当氮和氧分子返回时在低能量的正常状态下,它会发出蓝光。这是切尔诺贝利核电站爆炸后引入空中的蓝光源。

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当切尔诺贝利核电站爆炸时,电视连续剧中的夜空闪烁的蓝光可能是真实的场景。但是,蓝光的原因不是切伦科夫的辐射,而是空气电离。