自1960年代以来，研究X射线、闪电及相关现象的科学家们观察到一个奇特的现象：在模拟这些事件的实验室环境中，在两个电极之间加速的电子能达到超过施加电压的能量水平。宾夕法尼亚州立大学的研究人员指出，这与物理学中的一个基本原则相矛盾，该原则说明电子的能量应与施加的电压一致。尽管研究人员意识到这种不一致已有许多年，但他们仍然难以理解其背后的原因。
最近，宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员利用数学建模阐明了这一现象背后的机制。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上。
自1960年代以来，研究X射线、闪电和类似现象的科学家们观察到了一些有趣的现象：在复制这些事件的实验室中，在两个电极之间加速的电子的能量高于施加的电压。宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，这违背了物理学中的一个假设，即电子的能量应该与施加的电压相对应。尽管对这种明显的矛盾有数十年的认识，研究人员仍无法弄清楚为何会发生这种情况。
最近，宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组使用数学建模解释了潜在机制。他们在《物理评论快报》上发表了结果。
“在这些实验室实验中，电压施加在两个电极之间，这些电极是电导体。然后，带负电的电子通过一个间隙被加速，这个间隙可能是气体或真空。”宾夕法尼亚州立大学电气工程教授、该研究的通讯作者维克托·帕斯科（Victor Pasko）说。“电子能够获得的能量应该与施加的电压相对应，但在所有这些实验中，能量超出了施加的电压两到三倍，这让人感到困惑。”
通过数学建模，帕斯科和他的团队证明了一个能量反馈过程是导致这一现象的原因。
帕斯科指出，当电子与电极材料相互作用时，它们会发射X射线，而X射线由光子组成——无质量、无电荷的粒子构成光。部分光子向后传播，从而使更多电子从另一个电极释放出。少量这些电子的能量与原始能量相对应。然后它们再次加速，这一过程通过几个循环不断进行。帕斯科和他的团队构建了这个非常高能量过程的模型。
帕斯科表示，他们的模型也有助于解释为何不同形状和材料的电极会以不同程度产生这一效果。
“我们发现，当电极是平面时，我们获得最大效果，而当电极呈针状时效果最小化。”帕斯科说。“这很有道理，因为平面电极的大表面积有利于电子与光子的相互作用以及它们相互反弹的方式。当表面积减少时，效果就最小化了。”
研究人员还通过模拟和建模考察了这一现象如何在不同材料中出现。
“钨是用于X射线产生的标准材料，我们知道它是一种很好的材料。这是用于X射线机的电子产生的坚固材料，”帕斯科说。“我们的研究涵盖了许多额外的材料，利用我们的模型，我们能总结出导致最大效果的材料特性。”
研究人员表示，他们的发现可能为未来新型X射线生成方法铺平道路。他们相信这项研究可能激发在固体材料中创造能量电子的研究，潜在地使X射线机更快、更轻、更紧凑。
来自法国奥尔良大学的塞巴斯蒂安·塞莱斯廷（Sebastien Celestin）和来自法国国家科研中心及巴黎综合理工学院的安妮·布尔东（Anne Bourdon）为论文的共同作者。该研究部分得到美国国家科学基金会的支持。
