切侖可夫輻射

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zh-tw:切侖可夫輻射;zh-cn:切伦科夫辐射

一座TRIGA反應器核心中發出淡淡的zh-tw:切侖可夫輻射;zh-cn:切伦科夫辐射輝光。

zh-tw:切侖可夫;zh-cn:切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）是介質中運動的物體速度超過該介質中光速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年由俄羅斯物理學家巴維爾·切侖可夫發現的，因此以他的名字命名。1937年另兩名俄國物理學家伊利亞·弗蘭克和伊戈爾·塔姆成功地解釋了切侖可夫辐射的成因，三人因此共同獲得1958年的諾貝爾物理學獎。

[编辑] 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，例如在水中（折射率n為1.33）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，切侖可夫輻射即會產生。

此外，要超過的光速是光的相速度而非群速度。透過採用週期性介質(periodic medium)的方法，光的相速度可以被大幅改變，甚至可以讓切侖可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)。在更複雜的週期性介質中，例如光子晶體，可以得到各式各樣的異常切侖可夫效應(anomalous Cherenkov effects)，例如反向傳播的輻射（在尋常切侖可夫輻射中，輻射和粒子速度呈一銳角）。

切侖可夫輻射的幾何關係。

和切侖可夫輻射相類比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，會產生光子震波。

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

$\cos\theta=\frac1{n\beta}$ 。

[编辑] 特性

切侖可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，切侖可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，也就是說在切侖可夫輻射，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切侖可夫輻射看起來呈亮藍色。實際上，多數切侖可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奈米)，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，在切侖可夫輻射也是如此。因此，觀測到的入射角可以用來計算產生切侖可夫輻射的帶電粒子的方向及速度。

[编辑] 應用

切伦科夫辐射并非介质中运动的粒子（或物体）本身发出的辐射，而是介质中的极化电流发出的。在粒子物理学中切伦科夫辐射是一项非常重要的研究手段。从宇宙空间中进入地球大气层的某些高能粒子，运动速度接近光速，可以发出切伦科夫辐射。针对切伦科夫辐射设计出的切侖可夫探測器可以检测切伦科夫辐射的强度和方位，从而探测出高能粒子。

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