闪电里的玄机——自然形成的粒子加速器从古时开始

从古时开始，人们就对闪电心怀敬畏。随着科学技术的发展，闪电背后的奥秘被一层层揭开。科学家发现，“雷神的震怒”可能是一种自然形成的“粒子加速器”。

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一道闪电的长度可能只有数百米(最短的为100米)，但最长可达数千米。闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3-5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。粒子在闪电高温的作用下会发生分裂。分裂之后的放射性粒子会在闪电的余辉中衰变。并形成伽马射线，向倾盆大雨一样向地球进行辐射。

日本京都大学物理学家榎本光昭于11月23日发表论文，第一次证明了闪电就是大自然的粒子加速器。1925年，就有人提出闪电可对自然界的粒子进行加速的设想，在论文中，榎本及论文的共同作者第一次证明这种设想是成立的。在将近一百多年前，科学家就认为雷暴的爆炸及闪电过程中会释放出高能放射性粒子。榎本及其同事首次在实验中检测到了高能放射性粒子所释放出来的准确波长能量。

光核反应引起的一系列放射事件的物理过程

雷电发生时，电子在云层与地表之间，或云层之间快速地呼啸冲击。这些粒子所穿越的空间并非真空集。粒子在冲击穿越的过程中，会不停地同地球大气层中的空气分子进行碰撞。撞击所产生的能力会加热空气分子并使空气分子形成等离子体，形成之后的等离子体会发出黑体辐射。

理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，其光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射，在特定温度及特定波长放射出最大量之辐射。同时，黑体是可以吸收所有入射辐射的物体，不会反射任何辐射，但黑体未必是黑色的，例如太阳为气体星球，可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来，所以认为太阳是一个黑体(绝对黑体是不存在的)。理论上黑体会放射频谱上所有波长之电磁波。

闪电产生的中子扩散和漂移的云放射的正电子

人们可以在雷暴的特征性明亮闪电中观测到部分辐射。有一些能量放射的频率范围包括了X射线、伽马射线，这些频谱范围都远超了人眼的可见范围。

榎本的研究结果显示，伽马射线等不可见的能量辐射能够激发大气中的氮气及氧气，伽马射线在撞击这些空气分子时，可以使之损失中子。换言之，撞击导致了核裂变的发生。这一发现让人极为兴奋。具有14个中子的氮原子是稳定的。撞击过程造成稳定的氮原子损失一个中子之后，就形成了氮13，这是一种不稳定的放射性同位素。同样的过程及原理，撞击过程造成稳定的氧原子损失一个中子之后，稳定的氧16就形成了氧15，这同样是一种不稳定的放射性同位素。

很快，氮13分子及氧15分子就会发生衰变。每一个不稳定的同位素都会放射出一个中微子及一个正电子，正电子是电子的反物质，中微子及正电子都是具有异常特性的基本粒子。中微子会在几乎无法观测的过程中散射流失。但正电子，或称电子反物质，会继续与大气周围的电子发生碰撞。当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭，然后把它们的质量转换为能量释放出来，形成极为特殊的闪光。

本次研究发现，这种特殊的闪光就是能量为0.511兆电子伏的伽马射线。榎本及其同事在向地表放射的闪电中检测到了这种能级的特定伽马射线，这一发现表明，雷暴云砧是一个在天空中不停飘动的、巨大的、自然环境下的粒子加速器。

来源：http://www.livescience.com

译者：朱川

责编：钟天意

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