閃電的副產品:放射性同位素

■一項實驗結果顯示,當閃電產生的時候,除了大家所熟悉的電光與雷聲之外,還會產生放射性同位素。

撰文|陳勁豪

閃電是大氣中的電荷相互中和後,進而放電所產生的現象。當科學家在觀測閃電的過程中,他們注意到閃電之後通常會伴隨著高能量的 gamma 射線,也就是高能量的光子。此外有時會觀測到比平常多的正電子。但是科學家並沒有很好的理由來同時解釋這兩個觀測到的現象。

日本京都大學的榎戸輝揚(Teruaki Enoto)副教授與他的研究團隊在2017年2月6日的時候,在他們位於日本柏崎刈羽核能發電廠的輻射偵測器中,觀測到了兩個約略同時發生的閃電。閃電的位置距離偵測器約兩公里。在閃電之後的幾百毫秒後,他們觀察到了隨後所發生的gamma射線的餘暉(afterglow)。但是有趣的是,根據觀測結果,在這個餘暉之後,另外還有一些高能量的 gamma 射線逐漸產生,大約在一分鐘後達到最大值。更重要的,這個 gamma 射線的能量約略等於 0.51MeV,也就是正負電子對相互湮滅時所放出的光子能量。

(Courtesy: University of Kyoto)

榎戸輝揚與他的團隊對這個觀察結果提出了一個合理的解釋。當閃電產生高能量的光子時,光子會與空氣中的氮原子作用。如果光子能量夠高的話,可以把氮14的一個中子敲掉,讓氮14變成帶有放射性的氮13。氮13接著會透過逆貝他衰變(inverse beta decay)變成穩定的碳13,並放出一個正電子。這時這個正電子會與空氣中的電子碰撞並相互湮滅,同時放出兩個能量為 0.511MeV 的光子。

另一方面,氮14所放出的中子有可能被空氣中的其他氮14捕獲。這時會有兩種可能性。一種是形成氮15,而帶有放射性的氮15則會又放出 gamma 射線。另一種則是氮14會因為這個中子的能量讓其中一個中子變成質子,使氮14變成碳14。

這個研究為閃電後的 gamma 射線餘暉與伴隨產生的核反應提供了第一個重要的實驗證據,但是後續還有一些問題需要解決,例如反應的確切機制。不過這種實驗需要透過觀測閃電,所以除了穩定的偵測器外,耐心與運氣也是相當重要的。

 

原始論文:
Photonuclear reactions triggered by lightning discharge Nature 551, 481–484 (23 November 2017)

相關報導:Lightning creates radioactive isotopes

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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