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。
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。
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:
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。
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!
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。
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!
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!
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!