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切连科夫辐射

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一座TRIGA反应堆核心中发出淡淡的切连科夫辐射辉光。
一座TRIGA反应堆核心中发出淡淡的切连科夫辐射辉光。
爱达荷国家实验室ATR核心发出的切连科夫辐射辉光
爱达荷国家实验室ATR核心发出的切连科夫辐射辉光

切连科夫辐射(英语:Cherenkov radiation)是介质中运动的电荷速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射,其特征是蓝色辉光。这种辐射是1934年由苏联物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫发现的,因此以他的名字命名。1937年另两名苏联物理学家伊利亚·弗兰克伊戈尔·塔姆成功地解释了切连科夫辐射的成因,三人因此共同获得1958年的诺贝尔物理学奖

物理学解释

虽然根据狭义相对论,具有静质量的物体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(相速度)是小于c的,例如在水中(折射率n≈1.33)光仅以0.75c的相速度在传播,故物体可以被加速到超过介电质中的光相速,加速的来源可以是核反应或者是粒子加速器。当带电粒子以超过介质中的光速穿过介质时,会发出切连科夫辐射。

此外,粒子要超过的光速是光的相速度而非群速度。透过采用周期性介质的方法,光的相速度可以大幅改变,甚至可以让切连科夫辐射没有最小粒子速度的限制——此现象称为史密斯-柏塞尔效应。在更复杂的周期性介质中,例如光子晶体,可以得到各式各样的异常切连科夫效应,例如反向传播的辐射(在寻常切连科夫辐射中,辐射和粒子速度呈一锐角)。

切连科夫辐射的几何关系。
切连科夫辐射的几何关系。

可和切连科夫辐射相类比的是超音速飞行器或子弹的音爆现象。由超音速物体产生的音波速度无法快到足以离开物体,因此波“堆积”了起来,形成了一个震波波前;当快船超过水波速度时也会在水面上产生很大的弓形震波(bow shock)。

相同地,当一个带电的超光速粒子行经绝缘体,就会产生光子震波。

右图中,c真空光速n是介质的折射率,v是粒子速度(红色箭头),βv/c。蓝色箭头则是发出的辉光。几何上,此二方向之角度关系为:

特性

切连科夫辐射的总强度与入射带电粒子的速度成比例关系,另外粒子数量越多总强度也越强。与萤光受激辐射的电磁频谱具有特定频率的峰值的情形相异,切连科夫辐射的频谱是呈连续性的。一个频率下的相对强度与该频率呈正比,也就是说在切连科夫辐射,高频率(短波长)会有较强的强度。这解释了为何可见光波段部分的切连科夫辐射看起来呈亮蓝色。实际上,多数切连科夫辐射是在紫外线波段——当带电粒子被更充足地加速后,才会使可见光波段变得明显而得见;人眼感光最敏锐的波段是绿色光(平均为555奈米),对于蓝色光到紫色光的感应度则相当低。

如同音爆的情形一般,震波椎的角度与波源速度呈反比,在切连科夫辐射也是如此。因此,观测到的入射角可以用来计算产生切连科夫辐射的带电粒子的方向及速度。 切连科夫辐射的总强度与入射带电粒子的速度成比例关系,另外粒子数量越多总强度也越强。

应用

切连科夫辐射并非介质中运动的粒子(或物体)本身发出的辐射,而是介质中的极化电流发出的。在粒子物理学中切连科夫辐射是一项非常重要的研究手段。例如Belle实验切连科夫计数器,切连科夫辐射荧光成像,以及研究中微子震荡的超级神冈探测器,都是目前运作中的实际应用。从宇宙空间中进入地球大气层的某些高能粒子,运动速度接近光速,可以发出切连科夫辐射。针对切连科夫辐射设计出的切连科夫探测器可以检测切连科夫辐射的强度和方位,从而探测出高能粒子。目前在中微子研究相关的实验中,都有广泛的利用。

2017年4月,无阈值可集成切伦科夫辐射器诞生[1]

参考来源

  1. ^ 悸寔 华山. 清华电子系刘仿等的重大突破无论速度多慢的电子都可以辐射电磁波. 清华新闻网. 2017-04-11 [2017-04-15] (中文). 
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