【物理史中的十二月】1934 年 12 月:契忍可夫(Cherenkov)輻射的發現

1934 年 12 月:契忍可夫(Cherenkov)輻射的發現

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2020 年 12 月)

Wikimedia Commons
契忍可夫(Pavel Cherenkov)

科學建立在所有過往的知識上,契忍可夫輻射的故事也不例外。這樣的話,雖然此現象是以蘇聯的物理學家契忍可夫(Pavel Cherenkov)命名,但我們可以認為它始於一位英國的電機工程師、數學家和物理學家黑維塞(Oliver Heaviside)。

有著一頭紅髮而矮小的黑維塞和狄更斯一樣都成長於倫敦的貧民窟,孩童時罹患猩紅熱,導致他的聽力部分受損。黑維塞社交笨拙,在康登鎮(Camden Town)上學時難以和其他同學相處,但是他除了幾何學外,各學科都是班上的頂尖者。黑維塞16歲休學,繼續在家自學。他的姨丈惠司同爵士(Sir Charles Wheatstone)於 1830 年代和他人一起發明了電報,被認為是電磁學新領域中的一位有名專家。

年輕的黑維塞做電報員 2 年,很快地晉升為電報主管。他於 1873 年發現馬克士威開創性的專著,被書中的內容所深深迷住,所以隔年他就辭掉了工作,回到倫敦的父母家,全心研究。黑維塞在掌握書中主要的論點後,後來回想說:「我就把馬克士威放到一邊,走我自己的路。」終於,他將馬克士威方程從 20 個精簡至 4 個向量方程式,再繼續研究發展出向量微積分。

1888 年,黑維塞在《電學家》(The Electrician)發表了一篇論文,探討電荷行經電介質的電磁效應。他寫道:「假如運動的速度超過光速的話,電荷的干擾會全在電荷之後,被限制在一個錐體中。」很不幸地,沒有人在這方面有太大興趣。他之後的人生被認為是一位古怪的孤獨者,他的貢獻一直到1974年物理學家凱熱爾(Tom Kaiser)在《自然》(Nature)發表了一篇1頁的論文說明後大家才知道。

索末菲(Arnold Sommerfeld)於 1904 年的一篇論文中,理論預測了契忍可夫輻射,也並未能在科學界引起注意。之後於 1910 年,居禮夫人(Marie Curie)曾特別提及她在研究高濃縮鐳溶液時所觀測到的奇怪藍光。她寫道:「鐳的奇妙並不只有這樣,它還會讓大量不會放射光線的物體放出磷光。」但居禮夫婦都沒有繼續追究此觀測,倒是他們的法國同僚馬雷特(Leon Mallett)於 1922 年開始很認真地研究此現象。

再來談到契忍可夫,他於 1904 年 7 月出生於蘇聯一個叫作諾法亞‧曲戈拉(Novaya Chigla)的小村莊,於 1928 年畢業於弗羅涅日國立大學(Voronezh State University),之後在列別德夫(Lebedev Physical Institute)物理研究所當資深研究員。1934 年,契忍可夫和研究所同僚瓦維洛夫(Sergei Vavilov)一起開始做有關這個怪異輻射形式的實驗。(事實上,在蘇聯,它被稱為瓦維洛夫-契忍可夫輻射。)契忍可夫注意到,當以輻射衝擊一瓶水時,就會放射出相同的藍光。

現在,契忍可夫輻射在許多應用方面是重要的要素,契忍可夫偵測器在粒子研究方面很常見,甚至史普尼克 3 號衛星上也裝有一部。天體物理學家依賴此效應去偵測進入地球大氣層的宇宙線,還可以用在諸如加拿大薩德柏里微中子觀測站(Sudbury Neutrino Observatory)、日本超級神岡微中子探測器(Super-Kamiokande)、和南極冰立方微中子觀測站(IceCube)的設施中以偵測微中子。

在粒子物理方面,契忍可夫輻射可用來區分重粒子和輕粒子;環形成像的契忍可夫偵測器(RICH)是使用契忍可夫輻射的高階偵測器,其中有一個正建造在歐洲核物理研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHD)五個探測器實驗之一的大型離子對撞機實驗(ALICE)中。

說到比較務實的應用方面,契忍可夫輻射的藍光是偵測核反應爐的一種好方法,在連鎖反應停止後,藍光仍會持續,直到更短命的核分裂物衰變後它才會慢慢地暗淡下來。它也可以用來判斷使用過的核燃料有多少仍在燃料池中的一個指標;在醫學和生物學方面,契忍可夫輻射可用來偵測生物分子添加如磷-32 的放射性原子,以描繪它們交互作用的特性。在醫學領域,契忍可夫輻射光可用來偵測體內的輻射;外部光放射療法可以在被治療的組織進入點和離開點偵測到所產生的契忍可夫輻射。

至於契忍可夫,在他被晉升為組長後,於1940年獲得博士學位。1953 年,他擔任實驗物理教授,1959 年,他負責研究所的光生介子過程實驗室。契忍可夫於 1958 年和富蘭克(Ilya Frank)及塔姆(Igor Tamm)兩位提出理論,解釋契忍可夫所觀察到的現象,共同獲得諾貝爾物理獎。之後,契忍可夫繼續幫忙發展建造電子加速器,在其他方面也有顯著的成就。

契忍可夫於 1990 年 1 月 6 日在莫斯科過世。他為人所知的名聲不少,《星艦迷航記》(Star Trek)中的角色契可夫(Pavel Chekov)就是為了紀念他,而以他的名字命名;1997 年美國科幻片《星艦戰將》(Starship Troopers)的太空船使用「契忍可夫駕駛系統」(Cherenkov drive),以高於光速的速度飛行。

Argonne National Laboratory
浸沒在水中核反應器的輻射會引起契忍可夫輻射的藍光
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