契伦科夫辐射是怎么一回事?


http://www.guokr.com/article/438376/
这是得克萨斯奥斯汀大学核工程实验室的反应堆。这种幽冷的蓝光来自所谓的“契伦科夫辐射”:当带电粒子高速穿越电解质,其速度甚至比光在这种介质里的速度还快,就会产生这样的蓝光。其原理与超音速时的音爆有一定的类似之处。反应堆常常放在水中,水的光速只有真空光速c的四分之三,所以粒子很容易在不违反相对论、不超过真空光速的条件下,超越水中的光速。

在果壳这篇文章里有一小段解释,不过看完似乎还是不太懂。。

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5个答案
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Fymanon物理学小本

2014-05-08 16:40

这里提到的切连科夫辐射(Cherenkov radiation)是一种电磁辐射,和生活中经常提及的“电磁辐射”概念有些不一样。
生活中传说能“危害人体健康”的电磁辐射,主要是由电路振荡产生,比如手机收发信号。这些辐射主要集中在射频波段,频率相对较低。而切连科夫辐射是由带电粒子产生的,频率更高。多数切连科夫辐射在紫外线波段,只有当带电粒子被充分加速后,可见光波段才会明显可见。

#观念纠正#
电磁场并不等于电磁辐射。辐射场的能流方向背离辐射源,并且能传播到远处,球形包络面上的总能量不变;变化的电磁场却不一定能形成辐射,许多部分都随着距离的增加而衰减迅速,无法达到远处。

#什么是切连科夫辐射#
回到原问题。以上讨论的都是真空(大气层的作用可忽略)情况,匀速运动的带电粒子并不产生辐射场,只有速度改变时才会产生辐射场。但是,匀速运动的带电粒子在透明介质中也会产生辐射,即切连科夫辐射。这种辐射实际上是带电粒子和大量介质原子的集体效应。
本问题的图片里,核工程实验室的反应堆中,带电粒子主要是电子。

PS:切连科夫辐射还是很NB的。辐射产生的蓝色光最初被认为是荧光效应,后来被切连科夫发现,最终获得1958年诺贝尔物理学奖。

#为什么是蓝色#
切连科夫辐射的能量与频率成正比,因此能量主要为紫外光波段。在可见光范围内,能量集中在蓝紫色波段。
另外,电子的加速能量越大,辐射也越强烈。没达到一定能量,切连科夫辐射是不会发出蓝光的。

#和超音速有什么关系#
声音在空气中的传播速度是音速,低速运动的声源产生的声波,仍然是球形/椭球形的。但超音速飞机的速度却超过了这个速度。所以声波的波前就集中在飞机后的锥面上,形成激波,能量极其集中。
在真空中,带电粒子的电磁辐射和普通声源类似。即使粒子的速度达到相对论范围,仍然小于光速。但在介质中,光速(相速度)却可以小于带电粒子(即辐射源)。所以从产生的机制来说,切连科夫辐射就和超音速飞机产生的“音爆”类似。


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参考资料:
[1]北京大学郑汉青教授自编《经典电动力学讲义》
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov_radiation

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LePtC物理学博士生

2014-05-08 17:21

来配个图

虚线是介质中的光速,如果粒子运动的速度超过介质中的光速,就会在如下方向产生激波


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