切尔诺贝利的“死亡蓝光”是什么?
切尔诺贝利事故发生的时候并没有留下影像资料,但是有目击者陈述,他们确实看到了核电站上空出现有蓝光。这些陈述还被写入了事故调查报告。那么,当年目击者看到的蓝光是什么呢?
《切尔诺贝利》电视剧视频截图 (这道蓝光像不像《流浪地球》里行星发动机的喷射?)
撰文 | 瞿立建
编辑 | 李研
老现象 新研究
切连科夫辐射以苏联物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫的名字命名。
切连科夫于1904年7月28日生于沙俄沃罗涅日一个农民家庭,1928年毕业于苏联沃罗涅日国立大学数学和物理系,之后做高中教师,1930年进入苏联科学院数学和物理研究所读研究生。两年后,他随导师谢尔盖·瓦维洛夫转至新成立的列别捷夫物理研究所。瓦维洛夫是发光研究领域的大牛,给切连科夫指定的题目是自己领域里的一个常规选题,研究放射线使液体发光的现象。
列别捷夫物理研究所诺贝尔奖得主宣传墙,从左至右依次为切连科夫、塔姆、弗兰克、巴索夫、普罗霍罗夫、萨哈罗夫、金兹堡(图源:维基百科)
水等透明介质经放射线照射会产生淡蓝色的光,这一现象早已经被前人所观察到了,但前人给出的解释是,蓝色辉光是一种荧光。这里说的前人可不是一般的人,其中就有居里夫人这样研究放射科学的权威。瓦维洛夫给切连科夫布置这个选题,仅期待自己的研究生把这一现象研究得更清楚些,没指望能得到什么颠覆性的成果。然而,作为初出茅庐的科研小将,切连科夫却做出了惊天发现。
核电站的核反应堆开机之后,关上灯,核燃料周围的冷却液里散发的美丽的蓝色光芒正是切连科夫在实验室里苦苦观察的新辐射现象。
核反应堆冷却液发出淡淡的切连科夫辐射辉光(图源:Youtbube: Bizarre Radioactive fluorescence inside the nuclear reactor)
新现象 老原理
切连科夫的导师瓦维洛夫将切连科夫的实验展示给同事理论物理学家伊戈尔·塔姆和伊利亚·弗兰克,和他们一起思考,实验现象背后的原理是什么。这其中主要涉及以下三个问题:
切连科夫辐射是如何产生的?
切连科夫辐射为什么有方向性?
切连科夫辐射为什么是蓝光?
伊利亚·弗兰克(左)和伊戈尔·塔姆(右)(图源:维基百科)
高能放射线可以将原子里的电子打出来,这叫做康普顿效应,打出的电子叫做康普顿电子。(图源:Youbube: Compton Scattering)
康普顿电子在液体里面跑的时候,会扰动液体分子里的电子,因此产生辐射。(图源:Youtube:How does Cerenkov radiation work?)
图中黑点相当于电子,圆圈为被电子扰动的的分子辐射出光波。电子速度比光传播得慢,光波向各个方向近似均匀辐射。(图源:Youtube: What is Cherenkov Radiation?)
图中绿点相当于电子,圆圈为被电子扰动的的分子辐射出光波。电子速度比光传播得快,光波沿着与一个圆锥面垂直的方向传播。(图源:Youtube: What is Cherenkov Radiation?)
超音速飞机生成的音爆。当圆锥边缘的冲击波穿越观察者的位置,他会听到一声爆炸,在此之前他是听不到音爆的。(图源:维基百科)
1958年的诺贝尔奖得主,左三为塔姆,右三为切连科夫,右二为弗兰克。(图源:dnalc.org)
奥利弗·亥维赛德(图源:维基百科)
阿诺尔德·索末菲(图源:维基百科)
切尔诺贝利核电站上方的蓝光是什么?
不过,在核反应堆周围的冷却水里就不一样了。水中的光速是真空中光速的四分之三,核反应堆产生的电子,以及高能射线在水中打出的康普顿电子,速度很容易就超过水中的光速了,因此能够导致切连科夫辐射,使水散发幽幽蓝光。
当年目击者看到的蓝光又是什么呢?
核电站的核反应产生的粒子不足以在空气中产生切连科夫辐射,但足以使空气中的氮气和氧气分子能量升高,处于激发态,等氮气和氧气分子再回到低能量的常态时,就会辐射出蓝色辉光。这就是切尔诺贝利核电站发生爆炸之后,射向空中的蓝光的来源。
氮辉光(上)和氧辉光(下)(图源:维基百科)
参考资料
[1] Michael L'Annunziata, Radioactivity. Introduction and History, from the Quantum to Quarks, Amsterdam, Netherlands: Elsevier
[2] https://interestingengineering.com/that-eerie-blue-light-from-nuclear-reactors-its-cherenkov-radiation
[3] https://www.youtube.com/watch?v=Yjx0BSXa0Ks
[4] https://www.youtube.com/watch?v=AkR2daFw45U
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Pavel_Cherenkov
[6] "Obituary: Pavel Alexeyevich Cherenkov". Physics Today. 1992, 45 (12): 106–107
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Ilya_Frank
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Igor_Tamm
[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov_radiation
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Ionized-air_glow