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在核反應堆中，帶電粒子在水中運動時，有時就會運動得比水中的光速還快，這時還會產(chǎn)生一種藍色的光芒。這種藍光并非無用之物，它在物理學、生物學和醫(yī)學等領域都有著重要的應用。
文 | 陳強
如果你看過核反應堆的照片，那么你可能會注意到堆芯周圍有藍色的光芒。這種現(xiàn)象被稱為切倫科夫輻射（Cherenkov radiation），本質(zhì)上是一種光的沖擊波。
切倫科夫輻射于 1934 年由蘇聯(lián)物理學家帕維爾?切倫科夫（Pavel Cherenkov）首次發(fā)現(xiàn)。后來，蘇聯(lián)物理學家伊利亞?弗蘭克（Ilya Frank）和伊戈爾?塔姆（Igor Tamm）成功地解釋了切倫科夫輻射的成因，三人因此共同獲得 1958 年的諾貝爾物理學獎。
切倫科夫輻射是如何產(chǎn)生的？
狹義相對論認為，物體的運動速度不可能超過真空中的光速 c。但光在介質(zhì)中的傳播速度是小于 c 的，比如在水中的傳播速度約為 0.75c。所以，物體可以被加速到超過介質(zhì)中的光速，加速的來源可以是核反應或者是粒子加速器。當帶電粒子在介質(zhì)中的傳播速度超過光速時，它就會發(fā)出切倫科夫輻射。
具體來說，當帶電粒子在介質(zhì)中運動時，它會與周圍介質(zhì)中的分子發(fā)生相互作用，使它們激發(fā)到更高的能級。當分子回到基態(tài)時，它們會釋放出一些光子，形成電磁波。
如果帶電粒子運動得較慢，這些電磁波在運動方向上稍微聚集，但不會發(fā)生干涉。但是如果帶電粒子運動的速度超過了介質(zhì)中的光速，這些電磁波就會在粒子前方“堆疊”起來，彼此干涉，導致在與粒子運動方向成一定角度的方向上出現(xiàn)相干輻射，這就是切倫科夫輻射。
可與切倫科夫輻射相類比的是超音速飛機產(chǎn)生的音爆現(xiàn)象。超音速飛機在飛行時，前方產(chǎn)生的聲波就會“堆疊”起來，形成一個沖擊波，并發(fā)生音爆。因此，切倫科夫輻射可以被看成一種光的沖擊波。
帶電粒子運動得越快、數(shù)量越多，切倫科夫輻射就越強。切倫科夫輻射的頻譜是呈連續(xù)性的，而且一個頻率下的相對強度與該頻率呈正比。所以，可見光波段部分的切倫科夫輻射看起來呈藍色，因為藍色的波長較短，其強度也更高。實際上，多數(shù)切倫科夫輻射是處在紫外線波段。
切倫科夫輻射有哪些應用？
在核電站中，切倫科夫輻射不僅可以用來檢測高能帶電粒子的存在，還可以用來檢驗使用過的核燃料棒的剩余放射性。此外，切倫科夫輻射在天體物理學和粒子物理學方面，也有著重要的應用。
例如，切倫科夫輻射在粒子物理學中常用于粒子的鑒別。通過測量一個帶電粒子在某種介質(zhì)中發(fā)出的切倫科夫輻射的性質(zhì)，可以確定該粒子的速度。如果粒子的動量可用其他方法測量，就可以通過其動量和速度計算出粒子的質(zhì)量，從而鑒別出該粒子。
另一方面，來自太空中的宇宙射線或伽瑪射線暴與地球大氣層相互作用時，可能會產(chǎn)生一對具有極高速度的電子–正電子對。這些帶電粒子在大氣層中發(fā)出的切倫科夫輻射可以用于確定宇宙射線或伽馬射線的方向和能量。
此外，一些檢測中微子的大型探測器，也會利用切倫科夫輻射來檢測中微子是否與探測器內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生作用。
切倫科夫輻射在生物學和醫(yī)學方面也有著應用。比如，切倫科夫輻射可以用來監(jiān)測生物分子的活動?？茖W家可以把放射性原子，如磷-32，引入到生物分子中，然后利用分子產(chǎn)生的切倫科夫輻射來監(jiān)測它們。這樣，即使被標記的生物分子的含量很少，科學家也能分析這些分子在生物體內(nèi)的作用和變化。
至于醫(yī)學方面，無論是注射放射性藥物到人體內(nèi)，還是利用放射線治療癌癥，這些都會在人體內(nèi)特定的部位產(chǎn)生高速運動的電子，從而發(fā)出可檢測的切倫科夫輻射。近年來，一些科學家開始利用切倫科夫輻射進行醫(yī)學成像，以便更準確地診斷疾病。
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