契倫科夫輻射

契倫科夫輻射（Cherenkov radiation）是介質中運動的物體速度超過光在該介質中速度時發出的一種以短波長為主的電磁輻射，其特徵是藍色輝光。這種輻射是1934年由前蘇聯物理學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·契倫科夫發現的，因此以他的名字命名。

基本介紹

• 中文名：契倫科夫輻射
• 外文名：Cherenkov radiation
• 別稱：契倫科夫光
• 提出者：帕維爾·阿列克謝耶維奇·切連科夫
• 提出時間：1934
• 套用學科：光學、電動力學、加速器物理

獲獎記錄

1937年另兩名俄國物理學家伊利亞·弗蘭克和伊戈爾·塔姆成功地解釋了契倫科夫輻射的成因，三人因此共同獲得1958年的諾貝爾物理學獎。

物理學解釋

根據狹義相對論，具有靜質量的物體運動速度不可能超過真空中的光速c，而光在介質中的傳播速度（群速度）是小於c的，例如在水（折射率n≈1.33）中光僅以0.75c的速度在傳播。物體可以被加速到超過介電質中的光速，加速的來源可以是核反應或者是粒子加速器。當超過介電質中光速的粒子是帶電時（通常是電子）並通過這樣的介質時，契倫科夫輻射即會產生。

此外，要超過的光速是光的相速度而非群速度。透過採用周期性介質（periodic medium）的方法，光的相速度可以被大幅改變，甚至可以讓契倫科夫輻射沒有最小粒子速度的限制——此現象稱為史密斯-柏塞爾效應（Smith-Purcell effect）。在更複雜的周期性介質中，例如光子晶體，可以得到各式各樣的異常契倫科夫效應（anomalous Cherenkov effects），例如反向傳播的輻射（在尋常契倫科夫輻射中，輻射和粒子速度呈一銳角）。

具體產生條件

和契倫科夫輻射類似的是超音速飛行器或子彈的音爆現象。由超音速物體產生的音波速度無法快到足以離開物體，因此波“堆積”了起來，形成了一個震波波前。類似的情形，快船超過水波速度時也會在水面上產生很大的弓形震波（bow shock）。

相同地，當一個帶電的超光速粒子行經絕緣體，會產生光子振波。

右圖中，c是真空光速，n是介質的折射率，v是粒子速度（紅色箭頭），β=v/c。藍色箭頭則是發出的光。幾何上，此二方向之角度關係為：

v=βc>c/n。

特性

契倫科夫輻射的總強度與入射帶電粒子的速度成比例關係，另外粒子數量越多總強度也越強。與螢光或受激放射的電磁頻譜具有特定頻率的峰值的情形相異，契倫科夫輻射的頻譜是呈連續性的。一個頻率下的相對強度與該頻率呈正比，也就是說在契倫科夫輻射，高頻率（短波長）會有較強的強度。這解釋了為何可見光波段部分的契倫科夫輻射看起來呈亮藍色。實際上，多數契倫科夫輻射是在紫外線波段——當帶電粒子被更充足地加速後，才會使可見光波段變得明顯而得見；人眼感光最敏銳的波段是綠色光（平均為555納米），對於藍色光到紫色光的感應度則相當低。

如同音爆的情形一般，震波椎的角度與波源速度呈反比，在契倫科夫輻射也是如此。因此，觀測到的入射角可以用來計算產生契倫科夫輻射的帶電粒子的方向及速度。 契倫科夫輻射的總強度與入射帶電粒子的速度成比例關係，另外粒子數量越多總強度也越強。

套用

切倫科夫輻射並非介質中運動的粒子（或物體）本身發出的輻射，而是介質中的極化電流發出的。在粒子物理學中切倫科夫輻射是一項非常重要的研究手段。例如Belle 實驗的契倫科夫計數器，以及研究微中子震盪的超級神岡探測器，都是目前運作中的實際套用。從宇宙空間中進入地球大氣層的某些高能粒子，運動速度接近光速，可以發出切倫科夫輻射。針對切倫科夫輻射設計出的契倫科夫探測器可以檢測切倫科夫輻射的強度和方位，從而探測出高能粒子。目前在微中子研究相關的實驗中，都有廣泛的利用。