閃電里的玄機——自然形成的粒子加速器

從古時開始，人們就對閃電心懷敬畏。隨著科學技術的發展，閃電背後的奧秘被一層層揭開。科學家發現，「雷神的震怒」可能是一種自然形成的「粒子加速器」。

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一道閃電的長度可能只有數百米(最短的為100米)，但最長可達數千米。閃電的溫度，從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，也就是等於太陽表面溫度的3-5倍。閃電的極度高熱使沿途空氣劇烈膨脹。空氣移動迅速，因此形成波浪並發出聲音。粒子在閃電高溫的作用下會發生分裂。分裂之後的放射性粒子會在閃電的餘輝中衰變。並形成伽馬射線，向傾盆大雨一樣向地球進行輻射。

日本京都大學物理學家榎本光昭於11月23日發表論文，第一次證明了閃電就是大自然的粒子加速器。1925年，就有人提出閃電可對自然界的粒子進行加速的設想，在論文中，榎本及論文的共同作者第一次證明這種設想是成立的。在將近一百多年前， 科學家就認為雷暴的爆炸及閃電過程中會釋放出高能放射性粒子。榎本及其同事首次在實驗中檢測到了高能放射性粒子所釋放出來的準確波長能量。

光核反應引起的一系列放射事件的物理過程

雷電發生時，電子在雲層與地表之間，或雲層之間快速地呼嘯衝擊。這些粒子所穿越的空間並非真空集。粒子在衝擊穿越的過程中，會不停地同地球大氣層中的空氣分子進行碰撞。撞擊所產生的能力會加熱空氣分子並使空氣分子形成等離子體，形成之後的等離子體會發出黑體輻射。

理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射，並將這些輻射轉化為熱輻射，其光譜特徵僅與該黑體的溫度有關，與黑體的材質無關。黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長放射出最大量之輻射。同時，黑體是可以吸收所有入射輻射的物體，不會反射任何輻射，但黑體未必是黑色的，例如太陽為氣體星球，可以認為射向太陽的電磁輻射很難被反射回來，所以認為太陽是一個黑體(絕對黑體是不存在的)。理論上黑體會放射頻譜上所有波長之電磁波。

閃電產生的中子擴散和漂移的雲放射的正電子

人們可以在雷暴的特徵性明亮閃電中觀測到部分輻射。有一些能量放射的頻率範圍包括了X射線、伽馬射線，這些頻譜範圍都遠超了人眼的可見範圍。

榎本的研究結果顯示，伽馬射線等不可見的能量輻射能夠激發大氣中的氮氣及氧氣，伽馬射線在撞擊這些空氣分子時，可以使之損失中子。換言之，撞擊導致了核裂變的發生。這一發現讓人極為興奮。具有14個中子的氮原子是穩定的。撞擊過程造成穩定的氮原子損失一個中子之後，就形成了氮13，這是一種不穩定的放射性同位素。同樣的過程及原理，撞擊過程造成穩定的氧原子損失一個中子之後，穩定的氧16就形成了氧15，這同樣是一種不穩定的放射性同位素。

很快，氮13分子及氧15分子就會發生衰變。每一個不穩定的同位素都會放射出一個中微子及一個正電子，正電子是電子的反物質，中微子及正電子都是具有異常特性的基本粒子。中微子會在幾乎無法觀測的過程中散射流失。但正電子，或稱電子反物質，會繼續與大氣周圍的電子發生碰撞。當物質和反物質相遇時，它們會相互湮滅，然後把它們的質量轉換為能量釋放出來，形成極為特殊的閃光。

本次研究發現，這種特殊的閃光就是能量為0.511兆電子伏的伽馬射線。榎本及其同事在向地表放射的閃電中檢測到了這種能級的特定伽馬射線，這一發現表明，雷暴雲砧是一個在天空中不停飄動的、巨大的、自然環境下的粒子加速器。

來源：https://www.livescience.com

譯者：朱川

責編：鍾天意

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