切爾諾貝利的“死亡藍光”是什麼?
2019年08月17日08:51

  文章來源:“賽先生”公眾號

  美國HBO和英國天空電視台聯合推出的五集電視迷你劇《切爾諾貝利》,憑藉對史上最嚴重核事故的真實還原,對嚴酷環境下人性的深度刻畫,受到美劇迷的熱捧。

  第一集開始階段的場景就令人印象深刻,核電站出現一道藍光,刺向夜空。

  這是為烘托核災難恐怖氣氛而虛構的視覺效應,還是可以用科學解釋的實際情景?

(圖片來源:《切爾諾貝利》電視劇視頻截圖)
(圖片來源:《切爾諾貝利》電視劇視頻截圖)

  切爾諾貝利事故發生的時候並沒有留下影像資料,但是有目擊者陳述,他們確實看到了核電站上空出現有藍光。這些陳述還被寫入了事故調查報告,所以藍光的出現應該是真實可信的。

  那麼恐怖的藍光又因何而起呢?一些科普文章談到,藍光是由於切連科夫輻射。事實果真如此嗎?接下來,就讓我們先瞭解什麼是切連科夫輻射,再探討藍光的由來。

  老現象 新研究

  切連科夫輻射以蘇聯物理學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切連科夫的名字命名。

  切連科夫於1904年7月28日生於沙俄沃羅涅日一個農民家庭,1928年畢業於蘇聯沃羅涅日國立大學數學和物理系,之後做高中教師,1930年進入蘇聯科學院數學和物理研究所讀研究生。兩年後,他隨導師謝爾蓋·瓦維洛夫轉至新成立的列別捷夫物理研究所。瓦維洛夫是發光研究領域的大牛,給切連科夫指定的題目是自己領域里的一個常規選題,研究放射線使液體發光的現象。

列別捷夫物理研究所諾貝爾獎得主宣傳牆,從左至右依次為切連科夫、塔姆、弗蘭克、巴索夫、普羅霍羅夫、薩哈囉夫、金茲堡(圖片來源:維基百科)
列別捷夫物理研究所諾貝爾獎得主宣傳牆,從左至右依次為切連科夫、塔姆、弗蘭克、巴索夫、普羅霍羅夫、薩哈囉夫、金茲堡(圖片來源:維基百科)

  水等透明介質經放射線照射會產生淡藍色的光,這一現象早已經被前人所觀察到了,但前人給出的解釋是,藍色輝光是一種螢光。這裏說的前人可不是一般的人,其中就有居里夫人這樣研究放射科學的權威。瓦維洛夫給切連科夫佈置這個選題,僅期待自己的研究生把這一現象研究得更清楚些,沒指望能得到什麼顛覆性的成果。然而,作為初出茅廬的科研小將,切連科夫卻做出了驚天發現。

  當時,切連科夫連簡單測量光強度的儀器都沒有,他的導師瓦維洛夫因陋就簡,研究了一套用人的眼睛測量光強度的方法,而應用這種方法,需要讓眼睛先適應黑暗一個小時。切連科夫以極大的耐心和高昂的熱情進行實驗,幾年如一日,每天先在漆黑的實驗室枯坐一小時,讓眼睛適應黑暗,然後以自己的眼睛為儀器,觀察淡淡的輝光。切連科夫仔細去除液體中的任何雜質,換各種液體一遍遍重複自己的實驗,最終確認他觀察到的輝光不是螢光,並且液體所發輝光不是向四面八方均勻發出的球形波,而是圓錐形波。切連科夫發現了一種新的電磁輻射,後來這一輻射也被命名為切連科夫輻射。

  核電站的核反應堆開機之後,關上燈,核燃料周圍的冷卻液里散發的美麗的藍色光芒正是切連科夫在實驗室里苦苦觀察的新輻射現象。

核反應堆冷卻液發出淡淡的切連科夫輻射輝光(圖片來源:Youtbube: Bizarre Radioactive fluorescence inside the nuclear reactor)
核反應堆冷卻液發出淡淡的切連科夫輻射輝光(圖片來源:Youtbube: Bizarre Radioactive fluorescence inside the nuclear reactor)

  新現象 老原理

  切連科夫的導師瓦維洛夫將切連科夫的實驗展示給同事理論物理學家伊戈爾·塔姆和伊利亞·弗蘭克,和他們一起思考,實驗現象背後的原理是什麼。這其中主要涉及以下三個問題:

  · 切連科夫輻射是如何產生的?

  · 切連科夫輻射為什麼有方向性?

  · 切連科夫輻射為什麼是藍光?

  在1937年,塔姆和弗蘭克對切連科夫的發現及隨之帶來的疑問給出了圓滿的解答。

伊利亞·弗蘭克(左)和伊戈爾·塔姆(右)(圖片來源:維基百科)
伊利亞·弗蘭克(左)和伊戈爾·塔姆(右)(圖片來源:維基百科)

  切連科夫輻射是如何產生的?

  帶電粒子運動速度發生改變會產生電磁輻射。那麼,切連科夫輻射對應的是哪一種帶電粒子呢?

  切連科夫的實驗發現,液體裡面有電子在跑。

  切連科夫用於照射液體的放射線是伽馬射線,能量很高,可以把液體分子裡的電子打出來。這是1920年代美國物理學家康普頓和他的中國研究生吳有訓發現的現象,叫做康普頓效應,打出的電子也被稱為康普頓電子。

高能放射線可以將原子裡的電子打出來,這叫做康普頓效應,打出的電子叫做康普頓電子。(圖片來源:Youbube: Compton Scattering)
高能放射線可以將原子裡的電子打出來,這叫做康普頓效應,打出的電子叫做康普頓電子。(圖片來源:Youbube: Compton Scattering)

  通過用放射線照射液體,液體內部會產生運動的電子。但康普頓電子基本是勻速跑的,為什麼會產生輻射?

  康普頓電子在液體裡面跑的時候,會擾動液體分子裡的電子,受擾動的電子便會輻射光波,這就是切連科夫輻射的來源。

康普頓電子在液體裡面跑的時候,會擾動液體分子裡的電子,因此產生輻射。(圖片來源:Youtube:How does Cerenkov radiation work?)
康普頓電子在液體裡面跑的時候,會擾動液體分子裡的電子,因此產生輻射。(圖片來源:Youtube:How does Cerenkov radiation work?)

  為什麼切連科夫輻射有方向性呢?

  如果康普頓電子跑得比光慢,受到擾動的分子輻射的光波的情形如下動圖所示:

圖中黑點相當於電子,圓圈為被電子擾動的的分子輻射出光波。電子速度比光傳播得慢,光波向各個方向近似均勻輻射。(圖片來源:Youtube: What is Cherenkov Radiation?)
圖中黑點相當於電子,圓圈為被電子擾動的的分子輻射出光波。電子速度比光傳播得慢,光波向各個方向近似均勻輻射。(圖片來源:Youtube: What is Cherenkov Radiation?)

  圖中每個圓圈表示的就是每個受到擾動的分子輻射的光波的傳播。可以看出,此時光向各個方向傳播,為球形波。

  如果康普頓電子跑得比光快,情形如下:

圖中綠點相當於電子,圓圈為被電子擾動的的分子輻射出光波。電子速度比光傳播得快,光波沿著與一個圓錐面垂直的方向傳播。(圖片來源:Youtube: What is Cherenkov Radiation?)
圖中綠點相當於電子,圓圈為被電子擾動的的分子輻射出光波。電子速度比光傳播得快,光波沿著與一個圓錐面垂直的方向傳播。(圖片來源:Youtube: What is Cherenkov Radiation?)

  由上圖可看出,輻射的光波是圓錐形波。

  且慢,我們有物理常識,光速是速度的極限,電子怎麼可以超光速運動?

  我們所說的光速是速度極限,指的是光在真空中的速度(每秒30萬公里)。光也可以通過透明物質,但速度會慢下來。比如,光在玻璃中的速度大約是在真空中的速度的三分之二,光在水中的速度大約是在真空中的速度的四分之三。液體裡面跑的康普頓電子可以比液體中的光快,但依然比真空中的光速慢,所以這不違反相對論。

  我們可以將切連科夫輻射與超音速飛機造成的音爆相類比。康普頓電子類似正在飛行的超音速飛機,而切連科夫輻射則相當於聲波。歷史上,塔姆和弗蘭克成功解釋切連科夫輻射,確實受到了音爆理論的啟發。

超音速飛機生成的音爆。當圓錐邊緣的衝擊波穿越觀察者的位置,他會聽到一聲爆炸,在此之前他是聽不到音爆的。(圖片來源:維基百科)
超音速飛機生成的音爆。當圓錐邊緣的衝擊波穿越觀察者的位置,他會聽到一聲爆炸,在此之前他是聽不到音爆的。(圖片來源:維基百科)

  塔姆和弗蘭克還可以在理論上證明,切連科夫輻射主要是紫外光,當帶電粒子在液體中速度非常高時,切連科夫輻射會有紫-藍色可見光。高頻可見光中,人眼對藍光更為敏感,因此,可見光波段部分的切連科夫輻射看起來呈亮藍色。

  因對透明介質經放射線照射產生藍光這一現象的出色研究,切連科夫、塔姆和弗蘭克獲得1958年的諾貝爾物理獎。

1958年的諾貝爾獎得主,左三為塔姆,右三為切連科夫,右二為弗蘭克。(圖片來源:dnalc.org)
1958年的諾貝爾獎得主,左三為塔姆,右三為切連科夫,右二為弗蘭克。(圖片來源:dnalc.org)

  比較神奇的是,在蘇聯人思考這個問題的50年前,其實已經有人預言了切連科夫輻射。

  英國自學成才的物理學家和電氣工程師奧利弗·亥維賽德(Oliver Heaviside)在1888年至1912年間寫了多篇論文,討論透明介質中超光速運動的點電荷的輻射。可惜,亥維賽德的理論無人理睬,逐漸淹沒在文獻的故紙堆中,被人遺忘。

奧利弗·亥維賽德(圖片來源:維基百科)
奧利弗·亥維賽德(圖片來源:維基百科)

  歷史還給了人們預見切連科夫輻射的第二次機會。1904年,德國物理學家、史上獲得諾貝爾獎提名次數最多的物理學家阿諾爾德·索末菲(Arnold Sommerfeld)獨立於亥維賽德,也做出了類似的理論。索末菲儘管在物理學界地位崇高,他的理論依然在當時沒有得到什麼關注。

阿諾爾德·索末菲(圖片來源:維基百科)
阿諾爾德·索末菲(圖片來源:維基百科)

  直到1974年,這些被遺忘的文獻才被人重新發現。這時,亥維賽德和索末菲早已作古,而蘇聯人也已經獲得諾貝爾獎16年了。

  切爾諾貝利核電站上方的藍光是什麼?

  那麼切爾諾貝利核電站上方的藍光是切連科夫輻射嗎?

  其實並不是。要出現切連科夫輻射,需要有超光速運動的粒子。切爾諾貝利核電站上方的藍光出現在空氣中,而空氣中的光速與真空中的光速差別不大,是真空中光速的99.97%,核電站的核反應里幾乎不會出現比這個速度還高的粒子,因此在核電站周圍的空氣里不會有切連科夫輻射。

  不過,在核反應堆周圍的冷卻水裡就不一樣了。水中的光速是真空中光速的四分之三,核反應堆產生的電子,以及高能射線在水中打出的康普頓電子,速度很容易就超過水中的光速了,因此能夠導致切連科夫輻射,使水散發幽幽藍光。

  當年目擊者看到的藍光又是什麼呢?

  核電站的核反應產生的粒子不足以在空氣中產生切連科夫輻射,但足以使空氣中的氮氣和氧氣分子能量升高,處於激發態,等氮氣和氧氣分子再回到低能量的常態時,就會輻射出藍色輝光。這就是切爾諾貝利核電站發生爆炸之後,射向空中的藍光的來源。

氮輝光(上)和氧輝光(下)(圖片來源:維基百科)
氮輝光(上)和氧輝光(下)(圖片來源:維基百科)

  電視劇所展現的一道藍光衝夜空,很可能就是切爾諾貝利核電站爆炸時的真實情景。然而,藍光的起因不是切連科夫輻射,而是空氣電離。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽