什么是切伦科夫辐射？

什么是切伦科夫辐射？

切伦科夫辐射是当带电粒子在特定介质中以超过光速运动时发出的蓝色辉光。这一独特现象不仅展示了物理学的奇妙，还在核安全领域发挥着重要作用。

切伦科夫辐射是当组成原子的带电粒子（即电子和质子）在特定介质中以超过该介质中光速运动时发出蓝色辉光的一种能量形式。这一现象以发现它的物理学家帕维尔·切伦科夫的名字命名。后来，物理学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆解释了这一现象，因此，三人共同获得了1958年诺贝尔物理学奖。

怎么会有物体运动速度比光速还快？

在真空中，任何物体的运动速度都不可能超过光速。然而，在其他介质中，一些粒子有可能以超过该介质中光速运动。例如，在水这种介质中，光会减速到其正常速度的75%，但有些粒子不会大幅度减速，甚至可以超过光在水中的速度运动。每当这种情况发生时，就会产生蓝色或紫色的辉光。

图为中国一座反应堆的内部。切伦科夫辐射存在于核反应堆中燃料周围的水中。以极高速度运动的带电粒子是堆内反应的副产品。（图片来源：中核集团）

为什么切伦科夫辐射是蓝色的？

例如，在水中，当带电粒子的运动速度超过光速时，它们会扰动途经原子的能量平衡。为了恢复平衡，这些原子释放出光子——构成可见光的粒子类型，产生可见光 “冲击波”。这与超音速运动时产生的音爆效果相同，不过是呈光谱形式。

人眼感知的不同颜色实际上是由光子组成的不同类型的波。

由于切伦科夫辐射过程中的高能量作用，光子以高频率、短波长的波的形式传播，这是蓝色和紫色的特征。频率越高，波长越短，人眼看到的光就越偏蓝色或偏紫色。紫外光对人眼来说是不可见的，但可用测量切伦科夫辐射的特定工具来检测。

频率越高，波长越短，人眼看到的光就越偏蓝色或偏紫色。（信息图：A.Vargas/原子能机构）

水中产生的切伦科夫辐射会发射出一个宽阔的、连续的光谱，并且大部分光主要产生在电磁波谱的蓝色、紫色和紫外区域。（信息图：A.Vargas/原子能机构）

切伦科夫辐射有哪些应用？

浸没在水中的放射性材料中通常发生切伦科夫辐射。核材料（放射性材料作为其中一个副产品）可用于和平目的（如能源生产），但也可用于核武器。

国际原子能机构（原子能机构）的任务包括核查核材料和核设施是否一直用于和平用途。各国根据其保障协定向原子能机构申报其核材料的场所、数量、化学成分、物理形式和用途，而原子能机构则核实国家报告的信息是否完整和准确。

通过使用专门设备，即下一代切伦科夫观察装置（XCVDs）或数字式切伦科夫观察装置（DCVDs），来测量发射的光，核保障视察员可分析核设施和其他场所的核材料，并将这些数据与国家报告的信息进行比较。例如，视察员们可以测量贮存核反应堆乏燃料的水池中存在的切伦科夫辐射，并确定报告的乏核燃料数量是否准确。通过这种方式，他们可以检测是否有任何来自乏核燃料的核材料被转用于非和平用途。

乏燃料水池。（图片来源：D. Calma/原子能机构）

本文原文来自国际原子能机构（IAEA）官网。