【科學史上的今天】10/23——契忍可夫輻射
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。
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。
Photo Source:Oak Ridge National Labory