闪电 不仅是一道光,同时伴生着 核反应

当闪电产生高能量的光子时,光子会与空气中的氮原子作用

闪电 不仅是一道光,同时伴生着 核反应
版权:University of Kyoto,来源:CASE报科学

(文/陈劲豪)

闪电 是大气中的电荷相互中和后,进而放电所产生的现象。当科学家在观测闪电的过程中,他们注意到闪电之后通常会伴随着高能量的gamma 射线,也就是高能量的光子。此外有时会观测到比平常多的正电子。但是科学家并没有很好的理由来同时解释这两个观测到的现象。

日本京都大学的榎戸辉扬(Teruaki Enoto)副教授与他的研究团队在2017年2月6日的时候,在他们位于日本柏崎刈羽核能发电厂的辐射侦测器中,观测到了两个约略同时发生的闪电。闪电的位置距离侦测器约两公里。在闪电之后的几百毫秒后,他们观察到了随后所发生的gamma射线的余晖(afterglow)。但是有趣的是,根据观测结果,在这个余晖之后,另外还有一些高能量的gamma 射线逐渐产生,大约在一分钟后达到最大值。更重要的,这个gamma 射线的能量约略等于0.51MeV,也就是正负电子对相互湮灭时所放出的光子能量。

榎戸辉扬与他的团队对这个观察结果提出了一个合理的解释。当闪电产生高能量的光子时,光子会与空气中的氮原子作用。如果光子能量够高的话,可以把氮14的一个中子敲掉,让氮14变成带有放射性的氮13。氮13接着会透过逆贝他衰变(inverse beta decay)变成稳定的碳13,并放出一个正电子。这时这个正电子会与空气中的电子碰撞并相互湮灭,同时放出两个能量为0.511MeV 的光子。

另一方面,氮14所放出的中子有可能被空气中的其他氮14捕获。这时会有两种可能性。一种是形成氮15,而带有放射性的氮15则会又放出gamma 射线。另一种则是氮14会因为这个中子的能量让其中一个中子变成质子,使氮14变成碳14。

这个研究为闪电后的gamma 射线余晖与伴随产生的核反应提供了第一个重要的实验证据,但是后续还有一些问题需要解决,例如反应的确切机制。不过这种实验需要透过观测闪电,所以除了稳定的侦测器外,耐心与运气也是相当重要的。

参考论文:Enoto, Teruaki, et al. “Photonuclear reactions triggered by lightning discharge.” Nature 551.7681 (2017): 481.

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