契忍可夫輻射|科學史上的今天:10/23

玻璃瓶內一小塊鈾鹽泡在清澈透明的液體中。契忍可夫(Pavel Cherenkov, 1904-1990;或譯切侖科夫)關上燈,只見黑暗中玻璃瓶內的液體泛著藍色的光芒;待眼睛完全適應黑暗後,契忍可夫記下光芒的範圍,打開燈,換上別種液體繼續實驗。

圖片來源:Oak Ridge National Laboratory@flickr

契忍可夫是於1933年在教授伐維洛夫(Sergey Vavilov)的建議下開始這項實驗。其實早在世紀初,居禮夫人就曾在黑暗中看到這奇異的藍色光芒,但並未深究;伐維洛夫猜測那是放射性物質的γ射線擊中液體的電子後,所輻射出來的光,但為什麼總是藍色的?契忍可夫做了二、三年實驗,始終沒有進展。

直到1936年,契忍可夫有了關鍵的發現:藍光並不是均勻對稱的。如果是電子散射,那應該平均分布在每個方向,但實際上藍光每次都是出現在γ射線的行進方向上。伐維洛夫的猜測因此被否決了,然而契忍可夫仍無法提出適當解釋;不過第二年,這個謎很快就由與他同一實驗室的兩名同事破解。

今天生日的法蘭克(Ilya M. Frank, 1908-1990)專長是數學與理論物理,他與另一名資深的理論物理學家塔姆(Igor Tamm, 1895-1971)於1937年找到發光的原因:帶電粒子在液體中的行進速度超過光速。

等等,相對論不是說沒有任何物體的速度能超越光速嗎?是的,但那是指真空中的光速(c)。事實上光在介質中的行進速度會減慢(例如在水中的速度就只有0.75c),而一旦帶電粒子在水中的速度大0.75c時,就會導致類似超音速飛機產生的音爆現象。帶電粒子穿越介質時,它會改變附近介質的電場;一般狀況下,介質的電場在粒子離去時就會很快恢復平衡,但如果帶電粒子的速度大於介質中的光速時,帶電粒子行進路徑上的電場還來不及依序恢復平衡,就會「堆積」成震波,而釋放出電磁輻射。這就是「契忍可夫輻射」,頻率範圍從藍光到無線電波,因此我們肉眼看到的就是藍光;這也是為什麼包圍著核子反應爐的水池會泛著藍色光澤。

契忍可夫、法蘭克與塔姆三人因為此一發現而共同獲頒1958年的諾貝爾物理獎。如今契忍可夫輻射的現象還成為研究粒子物理的重要方法;例如微中子幾乎沒有質量又不帶電,因此難以偵測,一項我國也有參與的ARA計畫就在南極冰層底下就埋了許多偵測器,捕捉來自宇宙的微中子自地球另一端穿過厚厚冰層時,所產生的契忍可夫輻射。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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