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  为何光在传播的过程中没有音爆现象?           
为何光在传播的过程中没有音爆现象?
作者:佚名 文章来源:不详 更新时间:2007-10-12 16:46:53

为什么光在传播的过程中没有音爆现象呢?我们知道光子是质量很小的粒子,但是质量能量守恒的定律一样适用。再往前推进一下。所以为什么有质量的传递粒子,例如W和Z玻色子不会产生音爆现象呢?这些粒子的确拥有质量。或者在加速器中以接近光速的速度运行一费米距离的质子,会不会产生音爆呢?或者是必须达到一定的质量才能发生音爆么?

实际上音爆是一种冲击波。当飞机在空中作超音速飞行时,在机头或突出部分,也会象水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波,这就是激波。当它们向外传播时便互相干扰和影响,然后汇集成一道包罗机头的前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用上述的楔形水波来比拟,但有着迥然不同的性质。激波的厚度很小,经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高,速度立即下降。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时,均会感到这种强烈的变化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,就感觉是两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”。

现在我们来看看光波的情况。当一个带电粒子以接近光速的速度,穿越玻璃甚至空气等介质的时候,会释放出光冲击波。这种冲击波,被称为Cerenkov radiation(切伦科夫辐射),这个现象对我们的实验非常实用,因为可以告诉你有告诉的粒子穿越探测器。一个带电荷的W玻色子,理论上可以这么做,但是在实践中,其生命周期非常短暂,在消失能飞行的距离连显微镜都看不清楚。

光,或者说电磁辐射从总体上讲,都不能引起切伦科夫辐射,但是当穿越物质的时候,的确能表现出一些奇怪的现象。对于波长大概在可见光谱内或者更短的质子而言,我们能够看到光电效应,康普顿效应。对于能量非常高的质子而言,还能出现正负电子偶,这也是创造反物质版电子的最简单方法,同样对于实验者也非常实用。然后还回出现核光吸收,以及非常奇怪的穆斯堡尔效应。


切仑科夫效应


切仑科夫效应是切仑科夫在研究发自镭放射源的辐射穿入不同的液体并被液体吸收时发生的现象中发现的。在切仑科夫之前,也有人观察到当辐射穿入液体时,从液体中会放射出微弱的浅蓝色的辉光,但是他们把它归结为荧光。然而切仑科夫认为,他观察到的不是荧光。通过观察穿入经过了两次蒸馏的水中的辐射,他排除了微小杂质产生荧光的可能性。当时,测量非常微弱的辐射的唯一有效的工具就是人的高度灵敏的眼睛。为了提高眼睛的敏感度,切仑科夫在每次实验之前都要在完全漆黑的环境中呆上一个小时或者更久。他发现,辐射沿入射方向被极化了,正是入射的辐射所产生的快速次级电子才是出现可见辐射的根本原因。通过采用发自镭放射源的电子单独照射液体,他验证了这一点。切仑科夫在1934-1937年间发表的论文给出了这种新辐射的一般性质。

1937年,弗兰克和塔姆对切仑科夫效应给出了理论解释。他们认为,切仑科夫发现的辐射是由于电子在介质中以大于光在介质中的速度运动时产生的,并给出了严格的数学描述。他们的理论导致了对切仑科夫效应的各种不同应用,特别是在核物理和高能物理研究方面的应用尤为重要。在高能物理中经常用到的切仑科夫探测器就是一例。这种仪器可用于确定高能带电粒子的存在及其能量,在某些情况下,还可以用于识别不同质量的粒子。1958年西格里和张伯伦发现反质子时,就使用了这种仪器。

切仑科夫、弗兰克和塔姆是首次获得诺贝尔物理学奖的苏联人,他们获得的这一荣誉使国际上对苏联正在进行的高质量的实验和理论物理研究给予了权威性的承认。

康普顿效应


康普顿于1920年回到美国,在圣路易斯华盛顿大学担任韦曼·克劳(Wayman Crow)讲座教授兼物理系主任。在这里他作出了对他来说是最伟大的一个发现。当时,康普顿把来自钼靶的X射线投射到石墨上以观测被散射后的x射线。他发现其中包含有两种不同频率的成分,一种频率(或波长)和原来人射的X射线的频率相同,而另一种则比原来人射的父射线的频率小。这种频率的改变和散射角有一定的关系。对于第一种不改变频率的成分可用通常的波动理论来说明,因为根据光的波动理论,散射不会改变入射光的频率。而实验中出现的、第二种频率变小的成分却令人费解,它无法用经典的概念来说明。面对这种实验所观测到的事实,康普顿于1923年提出了自己的解释。他认为这种现象是由光量子和电子的相互碰撞引起的。光量子不仅具有能量,而且具有某些类似力学意义的动量,在碰撞过程中,光子把一部分能量传递给电子,减少了它的能量,因而也就降低了它的频率。另外,根据碰撞粒子的能量和动量守恒,可以导出频率改变和散射角的依赖关系,这也就能很好地说明了康普顿所观测到的事实。这样一来,人们不得不承认:光除了具有早巳熟知的波动性以外,还具有粒子的性质。这就说明了一束光是由互相分离的若干粒子所组成的,这种粒子在许多方面表现出和通常物质的粒子具有同样的性质。康普顿的这一科学研究成果,陆陆续续发表在许多期刊上。1926年他又把先后发表的论文综合起来写成《 X射线与电子》一书。

1923年,康普顿接受了芝加哥大学物理学教授职位(R·A·密立根曾经担任过这一职位),同迈克尔逊共事。在这里担,他把自己的第一项研究定名为“康普顿效应”。

穆斯堡尔效应


穆斯堡尔效应(Mössbauer effect),即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔(Rudolf Ludwig Mößbauer, 1929-)于1958年首次在实验中实现的,因此被命名为穆斯堡尔效应。应用穆斯堡尔效应可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用,是一种非常精确的测量手段,其能量分辨率可高达10-13,并且抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。由于这些特点,穆斯堡尔效应一经发现,就迅速在物理学、化学、生物学、地质学、冶金学、矿物学、地质学等领域得到广泛应用。近年来穆斯堡尔效应也在一些新兴学科,如材料科学和表面科学开拓了应用前景。

理论上,当一个原子核由激发态跃迁到基态,发出一个γ射线光子。当这个光子遇到另一个同样的原子核时,就能够被共振吸收。但是实际情况中,处于自由状态的原子核要实现上述过程是困难的。因为原子核在放出一个光子的时候,自身也具有了一个反冲动量,这个反冲动量会使光子的能量减少。同样原理,吸收光子的原子核光子由于反冲效应,吸收的光子能量会有所增大。这样造成相同原子核的发射谱和吸收谱有一定差异,所以自由的原子核很难实现共振吸收。迄今为止,人们还没有在气体和不太粘稠的液体中观察到穆斯堡尔效应。

1957年底,穆斯堡尔提出实现γ射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中,那么出现反冲效应的就不再是单一的原子核,而是整个晶体。由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量,反冲能量就减少到可以忽略不计的程度,这样就可以实现穆斯堡尔效应。实验中原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做无反冲分数f,无反冲分数与光子能量、晶格的性质以及环境的温度有关。

穆斯堡尔使用191Os(锇)晶体作γ射线放射源,用191Ir(铱)晶体作吸收体,于1958年首次在实验上实现了原子核的无反冲共振吸收。为减少热运动对结果的影响,放射源和吸收源都冷却到88K。放射源安装在一个转盘上,可以相对吸收体作前后运动,用多普勒效应调节γ射线的能量。191Os经过β-衰变成为191Ir的激发态,191Ir的激发态可以发出能量为129 keV的γ射线,被吸收体吸收。实验发现,当转盘不动,即相对速度为0时共振吸收最强,并且吸收谱线的宽度很窄,每秒几厘米的速度就足以破坏共振。除了191Ir外,穆斯堡尔还观察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作,穆斯堡尔被授予1961年的诺贝尔物理学奖。

截至2005年上半年,人们已经在固体和粘稠液体中实现了穆斯堡尔效应,样品的形态可以是晶体、非晶体、薄膜、固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等,涉及40余种元素90余种同位素的110余个跃迁。然而大部分同位素只能在低温下才能实现穆斯堡尔效应,有的需要使用液氮甚至液氦对样品进行冷却。在室温下只有57Fe、119Sn、151Eu三种同位素能够实现穆斯堡尔效应。其中57Fe的 14.4 keV 跃迁是人们最常用的、也是研究最多的谱线。

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