The Wayback Machine - https://web.archive.org/web/20221025113500/https://baike.sogou.com/kexue/d10729.htm

电离空气辉光

编辑
氮气辉光

电离空气辉光是受能量流作用的空气所产生的荧光放射现象，这种光所特有的蓝-紫-亮紫色，通常被称为电蓝色。

1 产生过程编辑

当能量沉积到空气中时，空气分子会被激发。由于空气主要由氮和氧组成，所以产生了激发的N2和O2分子。它们能与其他分子反应，主要形成臭氧和氮氧化物。水蒸气存在时，也可能会发挥作用，其存在的特征是氢原子发射线。等离子体中存在的活性物质，很容易与空气中或附近物体表面上的其他化学物质发生反应。

1.1 氮的退激发

受激发的氮主要通过发射光子来退激发，其发射线在紫外、可见光和红外波段:

N 2 * → N 2 + hν

观察到的蓝光主要是由这个过程产生的。[1]光谱由单电离氮离子谱线所主导，并伴随有中性氮原子谱线。

1.2 氧的退激发

氧的激发态比氮稍微稳定一些。虽然退激发可以通过光子的发射来实现，但在大气压下更可能的机制是与其他氧分子发生化学反应，形成臭氧：[1]

O 2* + 2 O 2 → 2 O 3

而强放射性物质及放电时，周边产生臭氧的原因，正是由于该反应。

2 出现编辑

激发能量可以通过许多不同的机制沉积在空气中：

  • 电离辐射是大量强放射性物质在空气中时周围发出蓝光的原因。例如空气中的一些放射性同位素样本(例如镭或钋)、粒子束(例如来自粒子加速器)、临界事故期间发出的蓝光，以及海平面附近核爆炸后的最初几十秒钟内，蘑菇云周围诡异的、低亮度的、“紫色”至“蓝色”的辉光。由于亮度低，这种效应只能在夜间的地上核试验中观察到：观察者均在黎明前的三位一体核试验、[2][3][4][5] 厄普肖-诺尔安妮核试验、[6]和红翼行动切诺基试射之后，注意到它的存在。[7][8]

  • 蓝光的产生经常被错误地归因于契伦科夫辐射。[7]更多关于核爆炸所引起的电离空气辉光，请参见的第四次“蓝鳃太阳鱼”核试验(Bluegill Triple Prime)，这一临近午夜时分(当地时间)所进行的高空核试验。
  • 当地时间01:23，造成切尔诺贝利事故的蒸汽爆炸发生后的几分钟内，电站的一些员工走出来，以便更清楚地看到电站的损坏程度。其中一名幸存者亚历山大·尤甫琴科(Alexander Yuvchenko)回忆说，当他在外面停下来，抬头看向反应堆大厅时，看到了一束“非常美丽”的、类似激光的蓝色光束涌向了无穷远处，而这正是由空气电离所引起的。[9][10][11]
  • 阴极射线在空气中所产生的蓝色辉光。[12]
  • 空气中的放电是电火花、闪电和电晕放电(如圣埃尔莫之火)发出蓝光的原因。
  • 极光，有时可观察到的蓝紫色部分，是由低海拔的氮分子所发出的。

    厄普肖-诺尔·安妮核弹试验的夜间试射被电视转播，并罕见地播放了未经编辑的核爆声音及画面(黑白色)。这张照片拍摄后，蘑菇云周围持续发出蓝色电离空气辉光。[12]

2.1 彩色

氮的发射光谱

氧的发射光谱

氢的发射光谱(水蒸气的光谱相似但较暗)

在干燥空气中，所产生的光的颜色(如闪电)主要由氮的发射线决定，而氮产生的光谱主要是由蓝色的发射线组成。中性氮原子谱线、中性氧原子谱线、单电离氮谱线(NII)和单电离氧谱线(OII)是闪电发射光谱最显著的特征。[13]

中性氮原子主要发射出光谱中红色部分的一条谱线。氮离子则主要发射出光谱中蓝色部分的一组谱线。[14] 最强的信号是单电离氮的443.3、444.7和463.0纳米谱线。[15]

当光谱包含氢原子的发射线时，就会出现紫色。这可能发生在空气中含有大量水分时，例如低海拔地区的闪电穿过雷暴。水蒸气和小水滴比大水滴更容易电离和解离，因此对颜色的影响更大。[16]

656.3纳米(强氢-α线)和486.1纳米(氢-β线)的氢发射线是闪电的特征。[17]

由低频闪电产生的里德堡原子发出红色至橙色的光，并能使闪电呈黄绿色。[16]

通常，大气等离子体中存在的辐射物质是N2、N2+、O2、一氧化氮(在干燥空气中)和氢氧化物(在潮湿空气中)。等离子体的温度、电子密度和电子温度可以从这些物质的旋转谱线分布中推断出来。在更高的温度下，氮和氧的原子发射线，以及(在水存在的情况下)氢的原子发射线存在。其他分子线，如一氧化碳和氯化萘，标志着空气中污染物的存在。[18]

2.2 电离空气辉光与切伦科夫辐射

尽管产生的光颜色相似，但是切伦科夫辐射是由一种完全不同的机制产生的。

切伦科夫辐射是由带电粒子产生的，这些粒子在介质中以高于光速的速度穿过介质。临界事故(裂变反应)过程中产生的带电粒子辐射的唯一类型是α粒子、β粒子、正电子(它们都来自裂变反应不稳定子产物的放射性衰变)和子产物本身的高能离子。其中，只有β粒子有足够的穿透力在空气中传播超过几厘米。由于空气是一种密度非常低的材料，它的折射率(约n=1.0002926)与真空(n=1)相差很小，因此空气中的光速仅比真空中的速度慢约0.03%。因此，衰变裂变产物发出的β粒子需要有大于99.97%的速度才能产生切伦科夫辐射。因为在核衰变过程中产生的β粒子的能量不超过约20兆电子伏(硼14的基态能量最高，为20.6兆电子伏特。次高的钠放射性同位素则为17.9兆电子伏特[19])，而β粒子达到99.97% c所需的能量为21.1兆电子伏   ，切伦科夫辐射通过裂变临界或放射性衰变在空气中产生的可能性实际上被消除了。

不过，切伦科夫辐射还是很容易在光学密度更高的环境中观察到，例如在水中或透明固体中。

参考文献

  • [1]

    ^Inorganic chemistry by Egon Wiberg, Nils Wiberg, Arnold Frederick Holleman, p. 1655, Academic Press, 2001, ISBN 0-12-352651-5.

  • [2]

    ^The Trinity Test: 'An eery and awesome sight' by Robert Christy.

  • [3]

    ^National Academy of Sciences, Robert F. Christy by Goldstein pg 7.

  • [4]

    ^"Eyewitnesses to Trinity" (PDF). Nuclear Weapons Journal, Issue 2 2005. Los Alamos National Laboratory. 2005. p. 45. Retrieved 18 February 2014..

  • [5]

    ^ROBERT F. CHRISTY (1916- 2012) INTERVIEWED BY SARA LIPPINCOTT.

  • [6]

    ^[1].

  • [7]

    ^Cherokee Field Report Bikini Operations, page 10, quoted in Chuck Hansen, The swords of Armageddon: U.S. nuclear weapons development since 1945 (Sunnyvale, CA : Chukelea Publications, 1995), 1307.

  • [8]

    ^Camera-man Yoshitake -"For several minutes after the blast, you could see this eerie ultraviolet glow high up in the sky. And I thought that was so spectacular, so meaningful.".

  • [9]

    ^"Cheating Chernobyl This interview was first published in New Scientist print edition Source : New Scientist web site"..

  • [10]

    ^"Chernobyl 20 years on"..

  • [11]

    ^"Chernobyl: what happened and why? by CM Meyer, technical journalist" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-12-11..

  • [12]

    ^The Becquerel Rays and the Properties of Radium by R. J. Strutt, p. 20, Courier Dover Publications, 2004 ISBN 0-486-43875-9.

  • [13]

    ^Lightning by Martin A. Uman, p. 139, Courier Dover Publications, 1984 ISBN 0-486-64575-4.

  • [14]

    ^All about lightning by Martin A. Uman, p. 96, Courier Dover Publications, 1986 ISBN 0-486-25237-X.

  • [15]

    ^[2][失效连结].

  • [16]

    ^PhysForum Science, Physics and Technology Discussion Forums -> Colours of electiricy. Physforum.com. Retrieved on 2010-06-05..

  • [17]

    ^AMS Journals Online – Daylight Spectra of Individual Lightning Flashes in the 370–690 nm Region. Journals.ametsoc.org. Retrieved on 2010-06-05..

  • [18]

    ^Laux, C O; Spence, T G; Kruger, C H; Zare, R N (2003). "Optical diagnostics of atmospheric pressure air plasmas" (PDF). Plasma Sources Science and Technology. 12 (2): 125. Bibcode:2003PSST...12..125L. doi:10.1088/0963-0252/12/2/301. Archived from the original (PDF) on 2011-07-16. Retrieved 2010-05-27..

  • [19]

    ^Decay Radiation Search.

阅读 121
版本记录

  • 暂无