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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。這種現象被稱為切倫科夫輻射（Cherenkov radiation），本質上是一種光的沖擊波。

切倫科夫輻射于 1934 年由蘇聯物理學家帕維爾?切倫科夫（Pavel Cherenkov）首次發現。后來，蘇聯物理學家伊利亞?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。當帶電粒子在介質中的傳播速度超過光速時，它就會發出切倫科夫輻射。

具體來說，當帶電粒子在介質中運動時，它會與周圍介質中的分子發生相互作用，使它們激發到更高的能級。當分子回到基態時，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，但不會發生干涉。但是如果帶電粒子運動的速度超過了介質中的光速，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生的音爆現象。超音速飛機在飛行時，前方產生的聲波就會“堆疊”起來，形成一個沖擊波，并發生音爆。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中發出的切倫科夫輻射的性質，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的物質發生作用。

切倫科夫輻射在生物學和醫學方面也有著應用。比如，切倫科夫輻射可以用來監測生物分子的活動。科學家可以把放射性原子，如磷-32，引入到生物分子中，然后利用分子產生的切倫科夫輻射來監測它們。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的作用和變化。

至于醫學方面，無論是注射放射性藥物到人體內，還是利用放射線治療癌癥，這些都會在人體內特定的部位產生高速運動的電子，從而發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學成像，以便更準確地診斷疾病。

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總結

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