切伦科夫辐射

切伦科夫(Cherenkov)的辐射可以称为19世纪物理学,它偶然进入了20世纪。 他本可以在1880年代(在某种程度上是物理学家Heaviside )预测的,但是这种效应是偶然发现的,可能是玛丽亚和皮埃尔·居里的发现。 帕维尔·切伦科夫(Pavel Cherenkov)在1930年代对其进行了仔细的研究,几年后, 伊利亚·米哈伊洛维奇·弗兰克Ilya Mikhailovich Frank)伊戈尔·伊夫涅涅维奇·塔姆(Igor Evgenievich Tamm)对该效应进行了详细解释。 其中三位物理学家因研究此现象而于1958年获得诺贝尔奖。

注意事项 transl。:在英语资料中,几乎总是在描述Cherenkov辐射时,作者急于提及居里夫妇,以及早在20世纪初,他们在辐射实验中似乎观察到一种蓝色光芒的事实。 但是,它们通常不指示此信息的来源。 在极少数情况下,他们写道,这些信息是基于他们的女儿伊娃(Eva)读的一本艺术书籍(居里夫妇的传记)获得的。

在有关蓝光的传记中,只有这样说:

“在暗棚中,由于缺少橱柜,仅在桌子上,钉在墙壁上的木制架子上就放了一些玻璃,上面放着宝贵的镭颗粒,仿佛挂在黑暗中,发出蓝色的磷光轮廓。” //“ Pierre and Marie Curie”,译。 由法国S.A. Shukarev撰写,Evgeny Fedorovich Korsh编辑。 1959年

那是什么样的观察? 切伦科夫研究了将放射性物体(包含原子,原子核衰变成其他原子核,吐出高能粒子,其中有电子和正电子)放置在水和其他透明材料旁边时出现的蓝光。 现在我们知道,任何带电粒子,例如以足够高的能量通过水,空气或另一种透明介质移动的电子,都会发出蓝光。 该光从粒子以一定角度向其移动方向移动。

这是怎么回事? 正如Frank和Tamm所理解的那样,这是一种光子冲击,类似于当超音速飞机的行进速度快于声速或船舶在水中产生的兴奋时发生的音爆。 由于光与构成该介质的带电粒子(电子和原子核)之间的相互作用,透明介质中的光将以与真空中的光速不同的速度移动。 例如,在水中,光的传播速度比在真空中慢25%! 因此,高能电子比在水中移动的光更容易行进,并且同时不超过真空中的光速。 如果此类粒子在水中传播,则会产生电磁爆炸波,类似于超音速飞机在浓密空气中产生的爆炸波。 该波来自粒子,就像声波来自飞机一样,并以多种形式(波长)的电磁辐射(包括可见光)传输能量。 在彩虹的紫罗兰色末端,产生的能量比红色的多,因此,供我们眼睛和大脑使用的光主要是蓝色。

这种辐射在粒子物理学中非常有用,因为它提供了一种检测高能粒子的绝妙方法! 由于它们发射的光,我们不仅可以看到高能带电粒子的存在,而且可以通过研究这种光的细节来理解更多。 准确的辐射方向图可以帮助确定(a)粒子在介质中遵循的路径,(b)粒子携带多少能量,甚至(c)关于其质量的某些信息(因为电子将在介质中散射,而较重的粒子将表现不同)。 几个非常重要的实验,包括后来获得诺贝尔奖的实验,都是基于这种辐射。 其中有一些在中微子研究中起主要作用的实验,例如Super-Kamiokande

Cherenkov辐射在通过爱因斯坦相对论验证自然描述的正确性方面也非常有用。 宇宙射线-从深空飞出的粒子(通常会与大气中的物体碰撞并产生可被地球上的探测器探测到的粒子级联),在极少数情况下,它们可能具有极高的能量-比质子能大1亿倍大型强子对撞机。 这些粒子(据我们所知)是在距地球许多光年的距离内产生的,这些能量是超新星这样强大的天文学事件。 假设光速不是通用的速度极限,并且这些粒子在真空空间中的传播速度将比光快。 然后,这些高能粒子也会引起切伦科夫辐射。 而且由于他们的旅程很长,因此他们在这种辐射下会损失很多能量。 事实证明,这种能量损失会很快发生,并且在这种情况下,除非它们的速度保持小于光速,否则这些粒子将无法行进天文距离并保持如此高的能量水平。

简而言之,如果超高能宇宙射线的移动速度比光快,那么我们就无法观察到任何具有这种能量的宇宙射线,因为它们必须在到达地球之前失去所有能量。 但是我们正在观察它们。

有一个小问题:我们几乎可以肯定它们中的大多数都带有电荷:它们的性质表明它们参与了强核相互作用,并且可以行进这种距离的唯一稳定粒子是质子,通常是原子核,并且他们都有电荷。 即使您使用此技巧,但限制可以减轻一些,但它们仍将保持强大。

由此我们可以得出结论:超高能宇宙射线(以及通常所有低能宇宙射线)的移动速度不会超过光速,至少要快得多。 如果这种进步存在的话,那么他在1990年代末由著名物理学家西德尼·科尔曼Sidney Coleman)谢尔登·格拉肖Sheldon Glashow)做出的估算就说,这一价值可能相当于万亿兆的十分之一。 从那时起,由于实验数据,这些限制可能得到了改善。

同样,我们可以观察到高能电子的事实也限制了它们相对于光速的速度。 我所读到的最后一句话说,从对能量高达0.5 TeV的电子的观察中可以得出结论,电子不能超过光速超过一万亿分之一。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN406965/


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