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  • 1 # 星辰大海路上的種花家

    如果向太陽發射一束超強的伽馬射線,會有什麼反應?太陽有可能直接超新星爆發嗎?

    《三體》中羅輯廣播了50光年外編號為187J3X1恆星的座標,結果在50多年後觀測到了這顆恆星被一顆光粒所毀滅,這個不知道從哪裡鑽出來的光粒以光速擊中187J3X1恆星,光速粒子那強大無比的動能直接導致了187J3X1恆星的毀滅!想必大家印象頗深,而《三體》中層出不窮的武器光粒留給了大家廣闊的想象空間!

    我們無法制造出光速飛行,但有靜止質量的粒子,即使質量再小,光速飛行也會讓它的動能無窮大!這狹義相對論從原理上就直接將其封死,但伽瑪射線則沒有,這種攜帶了強大能量的伽瑪射線能讓一顆恆星直接超新星爆發嗎?或者說直接摧毀恆星?我們簡單來做個討論。

    什麼是伽瑪射線?

    伽瑪射線的本質還是電磁波,只是它的頻率極高,對應的波長在0.1奈米以下,一般我們的可見光波長在400-700奈米之間!我們知道E=hv,v是頻率,h是普朗克常數,因此頻率極高的伽瑪射線能量是極大的!我們將伽瑪射線稱為電離輻射,因為它可以將核外電子轟飛,原子核成為離子。這種效應對人體破壞極強,因為它直接可以將組成人體組織的原子電離,形成自由基,或者能量超過化學鍵時期斷裂,甚至被電離成活性極強的碎片離子。

    這些物質非常不穩定,化學活性很高,容易和周圍的分子結合,破壞DNA,而且人體本身沒有修復機制可以對這種破壞修復,對健康造成嚴重影響。

    伽瑪射線研究曾經使趙忠堯走到了諾獎邊緣

    上世紀三十年代趙忠堯接受導師密里根教授的工作,觀測硬伽瑪射線轟擊物質時的電子康普頓散射影響,計算其吸收係數驗證克萊因—仁科公式,趙忠堯發現硬伽馬射線透過輕元素時的散射是符合克萊因—仁科公式的,但硬伽馬射線透過重元素,比如鉛時,所得的吸收係數比公式計算的結果大了約40%。以此為契機,趙忠堯發現了正電子的蛛絲馬跡,但可惜他驗證的實驗被其他科學家引用時卻方法或者裝置使用錯誤,沒有被重複,而借鑑了他經驗的則在雲室中觀測到了正電子的軌跡,而且當時引用趙忠堯論文的日期被推遲了一年,種種錯誤使得趙忠堯與諾獎失之交臂。儘管科學界後來肯定了趙忠堯在正電子上的發現,但榮譽卻再也無法補上!

    硬伽瑪射線:頻率更高的伽瑪射線,穿透力很強,因此被稱為硬伽瑪射線。

    伽瑪射線轟擊物質時會發生什麼現象

    當伽瑪射線穿過物質時,會有幾個效應產生:

    光電效應康普頓效應電子對效應

    當伽瑪射線與物質原子發生以上任意作用時,原來的伽瑪光子能量就會消失或者散射或者偏離原來的散射方向,透過物質後強度會減弱,這種則被稱為伽瑪射線的吸收,單能窄束γ射線強度的衰減遵循指數規律,也就是說衰減很快。

    伽瑪射線的光電效應:當一個伽瑪射線光子和原子相碰撞,它可能會將自己的全部能量轉移給一個殼層電子(主要是K殼層),使電子脫離原子而稱為自由電子,而光子本身則整個被吸收,這種現象就稱為光電效應!

    康普頓效應:光子和原子中的一個電子的彈性相互作用。康普頓效應的線性吸收係數μe與Z成正比,伽瑪射線的能量越大則μe 越小。

    電子對效應:當光子的能量大於兩個電子的靜止質量(1.02MeV),在原子核庫侖場的作用下,入射的光子可以完全被吸收,產生一個正負電子對。

    這是伽瑪射線穿過物質時的三種效應。

    超強的光電效應會導致什麼結果?

    會產生自由電子,理論上可能形成電流,但太陽上到處都是等離子態,也就是失去了電子的原子核和遊離的自由電子,這個光電效應估計就只能呵呵了,伽瑪射線似乎無處下手!

    康普頓效應呢?

    伽瑪射線的光子跟太陽物質發生作用時,將能量轉移給了電子,使得光子波長變長,伽瑪射線能量被吸收的一種方式,但並不是完全被吸收。

    電子對效應?

    這應該是核康普頓效應了,極大能量的伽瑪射線直接轟擊原子核產生正負電子對,很快又會湮滅,兩個電子湮滅為一個光子。

    對太陽影響最大的應該是電子對效應,因為產生的正負電子對湮滅時會釋放光子對,這對能量極高的光子頻率仍然會在伽瑪射線範圍內,你會發現一個問題,這些能量會在正電子對和伽瑪光子之間迴圈,但可能產生的能量會降低,最終被吸收,但也有另外一個問題會發生,即這對伽瑪光子可能會朝著地球衝過來,當然康普頓散射後的伽瑪射線也有可能衝向地球,似乎地球是必定會遭殃的!

    太陽的命運是什麼?會超新星爆發嗎?

    如果不限制伽瑪射線的能量閥值,那麼太陽被摧毀也是可能的,比如超強的能量也會讓太陽活動出現劇烈變化,比如超級耀斑,將太陽物質轟離,也就是類似氦閃的方式提前發生,那麼太陽系直接遭殃!但太陽不會發生超新星爆發,因為這是完全不同的兩種機制,超新星爆發有Ia型吞噬物質超過1.44倍太陽質量的錢德拉塞卡極限而導致爆發,另一種則是核坍縮超新星爆發,跟伽瑪射線能量輸入完全沒啥關係。

    因此超強伽瑪射線輸入可能會毀了太陽,但不是以超新星爆發的模式!

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