切倫科夫效應

切倫科夫效應

媒質中的光速比真空中的光速小,粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速,在這種情況下會發生輻射(切倫科夫輻射),稱為切侖科夫效應(Cherenkov effect)。

媒質中的光速比真空中的光速小,粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速,在這種情況下會發生輻射,稱為切侖科夫效應。這不是真正意義上的超光速,真正意義上的超光速是指超過真空中的光速。

一般來說,肉眼看不見切倫科夫效應,但是當它的強度很大時,會在禁止某些核反應堆的池水中出現微弱的淺藍色的光輝。在這種情況下,看得見的切倫科夫輻射是由於反應堆射來的高能電子的速度比光在水中的速度大而比光在真空中的速度小的原因引起的。也就是說,這時高能電子的速度在2.25×108m/s與3×108m/s之間。

在日常生活中,也可找到切倫科夫效應的例子。例如,當船在水中以大於水波的波速運動時,船前的波就可以看成是切倫科夫效應的例子。又例如,在空氣中,一架噴氣式飛機以大於聲速運動時,飛機前頭的空氣波。也可以作為說明切倫科夫效應的例子。

基本介紹

  • 中文名:切倫科夫效應
  • 外文名:Cherenkov effect
  • 提出者:切倫科夫
  • 套用學科:核物理、粒子物理學、電動力學
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物理學解釋

雖然根據狹義相對論,具有靜質量的物體運動速度不可能超過真空中的光速c,但光在介質中的傳播速度(相速度)是小於c的,例如在水中(折射率n≈1.33)光僅以0.75c的相速度在傳播,故物體可以被加速到超過介電質中的光相速,加速的來源可以是核反應或者是粒子加速器。當帶電粒子以超過介質中的光速穿過介質時,會發出切連科夫輻射。
此外,粒子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的方法,光的相速度可以大幅改變,甚至可以讓切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。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切倫科夫效應,例如反向傳播的輻射(在尋常切倫科夫輻射中,輻射和粒子速度呈一銳角)。
愛達荷國家實驗室ATR核心發出的契忍可夫輻射輝光愛達荷國家實驗室ATR核心發出的契忍可夫輻射輝光

切倫科夫輻射的幾何關係。

當一個帶電的超光速粒子行經絕緣體,就會產生光子震波。
右圖中,c真空光速n是介質的折射率,v是粒子速度(紅色箭頭),βv/c。藍色箭頭則是發出的輝光。幾何上,此二方向之角度關係為:
切倫科夫效應

套用

切倫科夫效應在高能物理中用以偵察帶電粒子並測量它們的速度等方面均有廣泛的用途。根據切倫科夫效應的原理設計的切倫科夫探測器,就是其套用的一例。這種儀器可用於確定高速帶電亞原子粒子(如質子)的存在及其能量,在某些情況下還可以用於識別不同質量的帶電粒子。1955年發現反質子時,就是靠了這種儀器的幫助。另外,根據切倫科夫效應的原理還可以製成宇宙射線計數器。

切倫科夫

切倫科夫教授由於發現和解釋了切倫科夫效應,於1958年與蘇聯物理學家塔姆(I. Y. Tamm)、伊利亞·弗蘭克(I. M. Frank)分享諾貝爾物理學獎金。1946年,他以發明高速帶電粒子的探測方法獲得斯大杯獎金。他述三次榮獲蘇聯國家獎金,兩次獲得列寧勳章,兩次獲得勞動紅旗勳章,還獲得其他各種紀念品。1964年至1970年,切倫科夫任蘇聯科學院通訊院士,1970年以後升為蘇聯科學院院士。

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