数学模型为闪电产生的X射线提供了理解

在2000年代初期，科学家观察到闪电放电产生由高能光子组成的X射线 - 与用于医学成像的类型相同。研究人员可以在实验室中重现这种现象，但他们无法完全解释闪电如何以及为什么产生X射线。现在，二十年后，宾夕法尼亚州立大学领导的一个团队发现了一种新的物理机制，解释了与地球大气中闪电活动相关的自然发生的X射线。

该团队的发现还可以揭示另一种现象：触摸金属门把手时有时会感到轻微的震动。称为火花放电，当物体和导体之间产生电压差时就会发生。在1960年代的一系列实验室实验中，科学家发现火花放电会产生X射线 - 就像闪电一样。60多年后，科学家们仍在进行实验室实验，以更好地了解这一过程的机制。

闪电由相对论性电子的一部分组成，相对论性电子发出壮观的高能X射线爆发，具有数十兆电子伏特能量，称为地面伽马射线闪光(TGF)。研究人员已经创建了模拟和模型来解释TGF观测结果，但模拟尺寸和实际尺寸之间存在不匹配，宾夕法尼亚州立大学电气工程教授Victor Pasko表示。Pasko和他的团队对TGF现象进行了数学建模，以更好地了解它在观测到的紧凑空间中是如何发生的。

“模拟都非常大 - 通常有几公里宽 - 社区现在很难将其与实际观测结果相协调，因为当闪电传播时，它非常紧凑，”Pasko说，并解释说闪电的空间通道通常规模为几厘米，放电活动产生的X射线在这些通道的尖端周围扩展至极端情况下可达100米。“为什么这个来源如此紧凑?直到现在，这一直是一个难题。由于我们正在处理非常小的体积，这也可能对自1960年代以来正在进行的火花放电实验室实验产生影响。

Pasko说，他们解释了电场如何放大电子数量，从而推动了这种现象。电子在经历加速时散射在构成空气的单个原子上。随着电子的移动，它们中的大多数在获得能量并繁殖时向前移动，类似于雪崩，使它们能够产生更多的电子。当电子雪崩时，它们会产生X射线，X射线向后发射光子并产生新的电子。

“从那里开始，我们想用数学方式回答的问题是，'你需要施加什么电场才能复制它，向后发射足够的X射线以允许放大这些选定的电子?帕斯科说。

根据Pasko的说法，数学模型为电场建立了一个阈值，这证实了当电子发射的X射线向后传播并产生新电子时放大电子雪崩的反馈机制。

“模型结果与观测和实验证据一致，表明TGF起源于相对紧凑的空间区域，空间范围约为10至100米，”Pasko说。

除了描述与闪电有关的高能现象外，帕斯科说，这项工作最终可能有助于设计新的X射线源。研究人员表示，他们计划使用不同的材料和气体以及他们的发现的不同应用来研究这种机制。

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