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閃電引致光核反應 產生罕有同位素

2017/11/24 — 17:08

via pexels.com

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日本物理學家發現,當閃電劃破長空時,大氣中的光核反應會產高能量光子——伽瑪射線、正電子,以及具放射性的原子核等。

現時不少考古研究均會用到稀有同位素的原子核,以鑑定古代遺跡年份或以此了解史前食物鏈。科學家一般認為,此類同位素是來自高能量宇宙射線引發的光核反應。 一直以來,許多太空探測器都測量到來自地球的伽瑪射線。為了解這些伽瑪射線是否來自閃電,京都大學天體物理學家榎戸輝揚 (Teruaki Enoto) 與研究隊伍在柏崎刈羽核電廠附近建設伽瑪射線測量器。

在今年 2 月 6 日,測量器錄得天空中的雙重閃電釋出了只有 1 毫秒、但能量接近 10 百萬電子伏特 (MeV) 的伽瑪射線。緊隨其後出現的日是不足半秒的伽瑪射線餘輝。然後,儀器再錄得集中為 511 千電子伏特 (keV) 的伽瑪射線,釋出時間近一分鐘。因為電子的質量換算為能量就是 511 千電子伏特,顯示這些伽瑪射線是正電子與周邊物質的電子湮滅產生的。

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這些結果與約 10 年前俄羅斯聯邦核中心物理學家 Leonid Babich 的光核反應理論吻合。當時 Babich 指出,閃電會使部份電子加速至接近光速,電子亦因此產生伽瑪射線。因為當伽瑪射線碰撞到大氣中的氮-14 或氧-16 原子核時,會撞脫這些原子核的中子,使它們分別變成氮-13 和氧-15 原子核。脫出的中子會在不斷碰撞後,被另一氮-14 原子核吸收變成氮-15 原子核。榎戸輝揚發現,其中 96% 吸收了一個額外中子的氮-15 原子核會變成碳-14 原子核並放出伽瑪射線和一個質子。而另外 4% 的氮-15 原子核會直接釋放出一個伽瑪射線光子,變成穩定的氮-15 同位素。

與此同時,失去了中子的氮-13 和氧-15 原子核會在短短幾分鐘內分別衰變成碳-13 和氮-15 ,並釋出正電子和電子微中子。就是這些正電子與周遭的而子湮滅,轉化為兩個各自為 511 千電子伏特的高能量光子。榎戸輝揚認為能測量到伽瑪射線,主要是因為今次放射性雲層位置較低,亦接近測量器材。另外, Babich 的理論亦指出,部份脫出的中子未有被氮原素吸收,而是會觸發氮元素蛻變為碳–14 。上述碳-14 同位素會被生物吸收,並在生物死後繼續衰變。

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研究人員指出,今次研究尚未清楚現時有多少同位素是以閃電產生,主要原因是並非所有閃電都會觸發光核反應。也因如此,新發現應該不會改變科學家以同位素作為測量方法。

原文:
Nature, Lightning makes new isotopes, 22 November 2017

報告:
Enoto, T., Wada, Y., Furuta, Y., Nakazawa, K., Yuasa, T., Okuda, K & et al. (2017). Photonuclear reactions triggered by lightning discharge. Nature 551, 481–484.DOI:10.1038/nature24630

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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