核电站里幽幽的蓝光是什么？光速可以超越吗？
1
细致严谨造就新发现
1
核电站反应堆的水池里会发出蓝光这一现象其实很早以前就已经被科学家发现了，并不是一件稀奇的事儿。
而且，这个现象不光出现在核电站里，水等透明介质经放射线照射都会产生淡蓝色的光。居里夫人等其他科学家早就对这一现象做出了解释，认为这是水中杂质产生的荧光现象，然而事实并非如此。
居里夫人
1932年，切伦科夫进入列别捷夫物理研究所，跟随导师谢尔盖·瓦维洛夫进行研究和学习。当时，切伦科夫接到的课题是探究液体在放射线下发光的现象。
他日复一日地研究，一遍遍仔细去除液体中的杂质，并在实验中不断尝试用新的液体进行测试。
让他意想不到的是，无论实验的液体多么纯净，这种蓝光依然会出现。
细心的他还发现，这种蓝光不是均匀向四周发出的，而是在某个方向强度更高；光的强度在空间上也呈圆锥状分布，这显然与荧光现象的规律相违背。
经过不断地重复实验与严谨论证，终于，他断定这种蓝光一定不是前人已经发现的荧光，而是一种全新的辐射，其产生机制也一定与荧光不同。
切伦科夫的发现迅速引起了他的老师瓦维洛夫的关注，并把这个发现分享给当时苏联的理论物理学家伊戈尔·塔姆和伊利亚·弗兰克。
塔姆和弗兰克不负期望，结合电磁辐射理论与狭义相对论，成功解释了切伦科夫辐射产生的原因。
反应堆启动过程
他们认为，这种辐射是由于透明介质中有高速运动的电子穿过，并且电子的速度超过了介质中的光速，如此高能量的电子扰动了介质中的分子或原子，进而使其辐射出频率范围在蓝到紫外线之间的光。
由于人眼对蓝光更敏感，所以这种光看起来是蓝色的。
看完上面的原理，是不是有些懵了呢？下面，就让小编用通俗的语言为大家介绍下吧~
2
大胆假设造就新理论
2
对切伦科夫辐射的解释中，最令人瞠目结舌的就是“超光速”三个字。
对物理学有所了解的朋友一定知道，真空中的光速是宇宙中最快的速度，大约为299792458 m/s，不可能有任何物体的速度超越这个数。
然而，在介质中情况就不一样了，光一旦从真空进入介质，速度就会大大减慢。比如光在水中的速度就约为真空中的75%。
于是，一些高能粒子虽然无法超越真空的光速，但是在介质中是有可能跑得比光快的。切伦科夫辐射便是由超越介质中光速的电子产生的。
电子在液体中超越光速
讲到这里，有些小伙伴可能会产生疑问：速度这么快的电子是从哪里来的呢？核电站的反应堆中会释放这么高能的电子吗？
核反应堆本身是无法释放如此快速的电子的，但它会辐射出另一种能量十分高的辐射——γ射线。
γ射线本身是电磁波的一种，它和无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线的本质一样，广义上都叫做光。
不同的是，它的频率非常的高，一秒钟可振荡一万亿亿（21位数）次以上，光的能量与频率成正比，因此γ射线的能量非常的高。
电磁波谱
如此高能量的伽马射线会把液体分子中的电子轻松地“撞出”，被“撞出”的电子往往会具有极高的速度，有可能超越液体中的光速。
高能光把物体中电子“撞出”的现象被称为康普顿效应，由康普顿与他的中国研究生吴有训发现，康普顿因此获得了1927年诺贝尔物理学奖。
康普顿效应
弄清楚了高速电子的来源，下面我们来讨论下神秘的蓝光是怎么产生的。
我们知道，人眼能看见的可见光通常是由于构成物体的分子或原子中的电子不断振荡产生的。在液体中，高速的电子穿过，它自带的电磁场会扰动液体中的分子，被扰动的分子不再稳定，其内部的电子不断发生振荡。
根据电磁学原理，这种振荡会产生一定频率范围的电磁波，而该现象产生的恰好是蓝光到紫外线范围的电磁波。
切伦科夫辐射的产生
问题到这里似乎已经讲明白了，但细心的小伙伴一定会问：为什么产生切伦科夫辐射的电子一定要超光速？还有，为什么发出的光呈圆锥状分布呢？
这里我们不妨类比一下音爆理论。对战斗机了解的朋友一定知道，超音速飞机会产生音爆现象。
当一架超音速飞机飞过，我们一开始听不到它的轰鸣声，一段时间之后我们会突然听到一声巨响，这便是音爆现象。
音爆的延迟
这是由于飞机飞得比声音传播得快时，上一瞬间产生的声波还没来得及传播开来，飞机就早早跑到前面去。
飞到前面去的飞机还会发出新的声波，一旦飞机速度比音速快，前后发出的两个声波便会相遇，相遇时便会相互叠加，产生爆炸般的巨响。
超音速飞行时的声波
而如果飞机的速度小于音速，先后发出的两个声音无论如何是不会相遇的，也就不会产生音爆现象。
亚音速飞行时的声波
音爆现象有两个特点，一个是在前后声波相遇处会产生巨响，另一个是由于声波速度比飞机慢，新产生的声波会把之前发出的声波远远甩在后边，各个时间产生的声波叠加就会形成一个圆锥形的区域。
圆锥区域内，飞机发出的声波可以抵达人耳，能听到飞机的声音；圆锥区域外，不存在任何飞机发出的声波，听不到飞机的声音；圆锥边界，不同时间发出的各个声波相遇并叠加，会产生爆炸般巨响。
讲到这里，是不是有小伙伴已经意识到什么了呢？没错，把飞机换成高速电子，把声波换成光波便是切伦科夫辐射的现象了。
由于电子超越了光速，电子与液体相互作用激发出的光波，会被甩在后方，形成圆锥状的分布。
至于为什么只有超光速的电子才能产生切伦科夫辐射，是因为我们看到的蓝光，实际上是许多电磁波叠加在一起的效果。
只有电子超越光速，前后发出的两个光波才有可能相遇，进而叠加形成我们最终看到的效果，也就是说我们看到的蓝光实际上是所谓的“光爆”。
超光速的电子产生辐射过程（蓝箭头即为“蓝光”）
3
二次创新造就新发明
3
介绍完切伦科夫辐射的原理，可能有小伙伴会问：这些理论上的东西能有什么用呢？
其实，许多新发明都是将抽象的理论“二次创新”而来的，现在用来探测中微子的仪器，便是基于切伦科夫辐射的原理。
当有中微子进入水中时，会与水相互作用形成电子和μ子，这些粒子在水中超光速运动形成切伦科夫辐射。一旦辐射出现便会被布满内壁的光电倍增管捕捉到，把光信号转化成电信号，告诉研究人员中微子出现。
温馨提醒
北京科学中心试运营期间开馆时间：
主展馆及首都创新成果展：每周三至周日，9:30-17:00，16:00停止检票入场。
儿童乐园：每周三至周日，上下午各一场，上午9:30-12:00，下午13:30-16:00。
关注“数字北京科学中心”微信号，点击底部菜单“来逛馆”-“网上订票”，即可在线订票。
志愿者招募
想成为北京科学中心志愿者吗？点击左侧图片即可了解详情，并参与报名~