1. 高能粒子的实验
1930年,美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,并因此获得了诺贝尔奖,但由于相对论效应,粒子的加速会使质量增大,从而只能使粒子获得几百keV的能量。
同步加速器的发明克服了这一缺点,美国费米实验室的质子同步加速器轨道半径为1km,利用超导磁场,可将质子加速到1TeV。
同步加速器产生的同步辐射进一步限制了粒子能量的增大,故近年来物理学家们又开始发展直线加速器,因为直线运动的粒子没有同步辐射。20世纪的最后几十年是对撞机的时代,弱点统一理论预言的中间玻色子也在对撞机中被发现。欧洲质子对撞机对撞能量已达14TeV,并且已经开始建造更大型的对撞机,希望能够找到与质量起源联系密切的希格斯玻色子。对撞机还可以利用两个重粒子的对撞模拟宇宙大爆炸。
电子感应加速器是一种利用感生电场来加速电子的新型加速器,同步加速器适合加速重粒子(如质子),但是很难加速电子,感应加速器克服了这一困难。如今感应加速器中产生的γ射线可以做光核反应研究,还可以用于工业无损、探伤和医疗等领域。先进的高能加速器和对撞机主要用于前沿科学,而低能加速器却已经广泛转为民用,在材料科学、固体物理、分子生物学、地理、考古等学科有重要应用。
被加速的粒子可以通过辐照改变材料的性质或者诱发植物基因的突变培育新品种,可以诊断并治疗肿瘤,还可以生产大量同位素,用于工、农业生产。当然,加速器只能加速带电粒子,现如今广泛应用的中子探伤技术、中子干涉测量技术、中子非弹性散射等所用的中子是由核反应堆中产生的。 在高能粒子物理散射实验中,仅仅有高能粒子还不够,还必须有先进的粒子探测器来收集信息。粒子探测器是利用粒子与物质的相互作用原理来产生信号的。带电粒子在物质中运动的主要能量损失是电离损失,通过测量单位路程的能量损失可以判别粒子的类型。
低能在物质中运动的主要能量损失是光电效应,其次较弱的因素还有康普敦散射、瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等,能量大于1MeV的光子能量损失主要原因是产生了正负电子对。高能电子入射到物质中时,由于突然减速,会产生高能轫致辐射,高能光子又会激发正负电子对……如此产生一连串的连锁反应,可以形成电磁簇射,簇射深度称为辐射长度,与粒子能量和介质密度有关,高能光子也可以形成簇射。
当带电粒子在介质中的速度大于介质中的光速时,会产生一种类似于声学中的“冲击波”一样的辐射,称为切连科夫辐射。切连科夫因为发现这种辐射而获得了诺贝尔奖。 高能粒子实验装置指的是用以发现高能粒子并研究和了解其特性的主要实验工具。高能物理实验需要三大条件:一是粒子源;其次是探测器,用以观察、记录各种高能粒子,大体上可以分成电探测器和径迹探测器两类;第三是用于信息获取和处理的核电子学系统。
径迹探测器包括云室、泡室等探测装置。在历史上,人们曾利用这类探测器在科学上得到重要成果。例如,1932年,C.D.安德森用云室发现了正电子。1960年,中国科学家王淦昌发现反西格马负超子所用的探测器就是24升丙烷泡室。但是,这类探测器已不属于现代的主要实验装置。
在同步加速器上进行高能物理实验,常使用前向谱仪。这是在束流前进方向上有目的地安排一系列电探测器,包括闪烁描迹器、多丝正比室、漂移室、契仑科夫计数器、全吸收量能器等探测装置。例如,用来发现J粒子的双臂谱仪就是一种前向谱仪。
在对撞机上进行高能物理实验时,所用谱仪的安排则另有特点。探测器在结构上应尽可能地从各方面包住对撞区,形成接近4π的立体角。例如,束流管道外包以漂移室,再包以闪烁计数器,外面再包以簇射计数器。簇射计数器外面有大型磁铁形成轴向磁场。磁铁外面包以μ子计数器等,形成多层叠套结构。中国正在兴建的第一台正负电子对撞机上所用的探测装置即属此类型。
所有这些探测高能粒子的实验装置,一般体积都在100~200米3以上,重量达数百吨。然而,其定位精度要求达到10-4米量级,定时精度达到10-10 秒量级,信号通道数达104~105,数据率到107位每秒量级,连续工作时间达103小时以上。因此,完成这样高指标的信息测量工作,必须拥有庞大、复杂、精密的核电子学系统。 利用这些相互作用原理,针对不同的要求,可以设计出不同类型和功能的粒子探测器。较早的有威尔逊云室,后来又发明了气泡室、乳胶室、多丝正比室、漂移室等,最后又发明了切连科夫探测器。
超级神冈中微子探测器是专门用来探测宇宙中最难束缚的幽灵:中微子的,探测器用了50500吨水作为切连科夫探测器,探测到的光(切连科夫辐射)输入计算机。实验结果证实了中微子振荡的存在,并且揭示了太阳中微子的失踪之谜。这些探测器配合粒子加速器可以用来探测多种粒子的轨迹、能量、类型等,它们是加速器的眼睛。
粒子物理实验所得到的粒子散射截面等数据,结合大爆炸宇宙学恰好可以解释宇宙中元素的组成和相对丰度。
137亿年前,宇宙诞生并开始膨胀,原始宇宙处于超高温和超高密度的状态,超高能光子激发出大量的粒子,光子们走不了几步就会与某个粒子(比如电子)碰撞,光根本透不出来,不得不与其它粒子形成了热平衡(平衡辐射又叫普朗克辐射)。
2. 目前有没有比光速快的
2011年9月底,曾经发现顶夸克的美国费米实验室宣布,他们的万亿电子伏加速器于9月30日关闭。之所以如此,是因为费米实验室计划转向一项新的研究,也就是对意大利OPERA实验发现的“超光速中微子”的结果进行验证。
在9月底,这个属于意大利Gran Sasso国家实验室名下的OPERA项目组可以说是赚足了眼球。《自然》杂志上的一篇文章称“OPERA”的实验装置接收到了来自730公里外位于Geneva欧洲核子研究中心(CERN)发出的中微子。而中微子穿越这段距离的时间比光速快60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。
中微子是一种不带电的基本粒子,该粒子具有最强的穿透力。
这一结果与爱因斯坦相对论中 “光速无法超越”理论相矛盾。很多科学家都心存怀疑,其中最有名的是1979年诺贝尔物理学奖得主格拉肖,他因统一了电弱理论而获奖。他宣称由于中微子在从Geneva到Gran Sasso的传播过程中会损失能量,因此中微子的超光速现象是不可能发生的。
那么,究竟是OPERA错了?还是爱因斯坦错了?
真真假假
“我感到非常的震惊。” OPERA项目的发言人,瑞士伯尔尼大学物理学家Antonio Ereditato这样说。他表示经过数月的研究和交叉检查,他们并没有发现任何可以得出有关这个测量结果的解释,所以将这个研究结果公布。“我们将继续研究,同时也期待着其他机构的测量以便对我们的工作进行评估。”
OPERA项目组有160余人,他们来自各个国家。在高能物理所曹俊研究员看来,正式发表的结果肯定经过了反复推敲验证,他们文章中基本上每个重要的数字都采用不同方法检验或独立验证。“他们出错的概率要比相对论出错的概率大。但是凭空猜测他们哪里做错了,肯定是不靠谱的。也有可能什么地方他们没有想到。也有可能是中微子有什么特殊的性质。”曹俊这样告诉《科学新闻》。
OPERA的中微子大部分来自CERN的?仔粒子的衰变,然后它们在地壳中传播730公里到达Gran Sasso。跟传统高能物理实验不同,中微子实验并没有隧道,这是因为中微子和其他粒子的相互作用非常弱,他们能够在岩层中以近光速传播。“这个性质是中微子特有的,也是只能在中微子中观测到超光速现象的可能原因。”中国科学院高能物理研究所的Jarah Evslin解释称,之所以能观测到超光速现象,除了误差外,其可能原因还在于中微子的特质。
中国科学院高能物理研究所研究员张新民、Jarah Evslin、Emilio Ciuffoli以及刘杰,围绕OPERA的实验进行了相关研究。他们提出了一个能够很好解释OPERA结果的模型。他们认为对超光速中微子的一个主要限制是来自超新星1987A的中微子观测。在这个模型中,他们发现暗能量在可见物质高密度区聚集,例如地球附近。“因此,中微子只能在地球附近以超光速传播,而在太空中,由于可见物质稀少,暗能量不能聚集,中微子也就不能超过光速。”Jarah Evslin这样说。
事实上,观测到超光速中微子现象OPERA并不是独一家。早在2007年,美国费米实验室MINOS实验就曾经观测到类似的状况,但是当时并没有引起重视。
“费米实验室的MINOS实验结果没有被证伪。但是只有2个多标准偏差,显著性不够。OPERA超光速的结果达到了6个标准偏差,因此引起了重视。但不能排除实验做错了。”曹俊说。
据介绍,在粒子物理理论被验证的过程中,并未规定重复试验的次数。但是在单个实验中,如果达到5倍标准偏差的显著水平就可以确认。故OPERA实验相比费米的MINOS的实验更引人关注。
Jarah Evslin认为,之前由于费米MINOS实验的误差较大所以可信度低,而现在OPERA发现了相同的现象,因此费米的实验就值得商榷了。他指出,目前中微子只是比光速快了近7000米/秒,这么小的差别是很难被观测到的。主要有以下两个原因:中微子接收器位于地面以下1000米,不能直接用GPS来测时间;两年间,OPERA实验捕捉了16000个中微子束,中微子脉冲不是瞬时发出的,而是在一个约10000纳秒的时间内连续发出的。因此,我们无法区别探测到的中微子是在哪一刻发射出来的。在实验上这非常难下定论也非常容易发生错误。
如何验证
对于OPERA究竟是对还是错,这个问题也许OPERA自己并不能给出答案。这需要其他实验室给予帮助。
“由于超光速现象会撼动现代物理学的基础,所以我认为我们需要更多的中微子实验来检验OPERA的结果。”Jarah Evslin告诉《科学新闻》,如果在这次实验中,OPERA在某个细节上犯了错,那么下次实验他们还会继续犯同样的错误。所以对下次的结果仍然不能相信。因此必须在一到两年内有其他两个实验对OPERA的结果进行检验,一个就是美国费米实验室的MINOS实验,第二个是日本的T2K实验。
和许多物理学家一样,Jarah Evslin对OPERA的实验结果虽然心存疑虑,但仍认为是值得商榷的。“如果明年费米实验室的MINOS实验能够证实OPERA的结果,那么我认为这个实验就基本是正确的了。”Jarah Evslin这样告诉《科学新闻》。
据了解,为了对OPERA实验进行验证,目前费米实验室的MINOS提出了升级后的计划。其中包括采用更精确的时间测量方法,采用新的GPS传感器、原子钟和探测器,来将中微子到达时间误差控制在2纳秒。预计最快将在2014年得出结果。
在Jarah Evslin看来,费米实验室想要提高精度就必须在时间和距离两个方面上努力。特别是时间校准上必须在发生端和接收端下功夫。这是因为OPERA实验在距离校准上做得非常好,甚至能够探测到大陆板块移动。OPERA实验利用了多种独立的手段以及时间上最精准的钟来校时。因此,费米实验室至少要达到相同的水平,才可以确保实验结果的准确。
而除了校准时间外,“当然,能够延长中微子的传播距离是最好的,这样的话,时间可以不用探测的那么精确。但是这样一来我们就需要一个新的探测器,而建造一个新的探测器绝对不是一两年能够搞定的。”Jarah Evslin表示。
Jarah Evslin看来,在OPERA的结果得到确认之前,理论物理学家应该从理论方面考虑超光速的可能性,这样能够为实验设计提供帮助。因为,毕竟理论学家的“实验”比科学家的实验便宜很多。■
《科学新闻》 (科学新闻2011年第11期 学界)
2012年3月末物理学家们宣布,之前那项对爱因斯坦相对论的基础——光速极限理论提出挑战的实验已经被确认存在错误。后续的验证实验已经证明,和所有其它事物一样,中微子同样遵循爱因斯坦指出的宇宙速度极限法则。
3. 宇宙中来无影去无冬的幽灵粒子,是靠纯净水检测的吗
江门中微子实验(JUNO)于2015年1月开工建设。若顺利,明年年中,施工人员将开始在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。这是中国最复杂的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际同类设备相比,它的规模要大20倍,精度提高近一倍。
这么大的玻璃球,给工程建设带来了挑战。江门中微子实验项目组先后请来几个知名力学团队帮忙设计,并搭建了专门实验室,测试有机玻璃的力学性能和老化情况,还造了一个直径3米的小球来验证计算和测试是否准确。
4. 中科院高能物理研究所怎么样
能进中科院的都是IQ特别高的,我当年也考中科院高分子材料研究生滑档内下来的,题目大多是容超纲题。
工作生活前期基本在实验室,后期有成果之后召开发表,刊登在世界著名的科学期刊上,去全国各地高校做演讲,一是获取学术地位,二是赚点生活费。搞科研很辛苦的,特别是前期,有成果就不一样了
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两年过去了,我现在在中科院等离子体物理所,高能所的情况我不大了解,中科院的国家经费都不低就对了,现在每个月(硕士)3000-4000左右,不用学费(返还),专心科研。据我所知国内高校几乎没有几个比中科院给的多。
生活基本上都是差不多的,前期就混个二作共同一作啥的,后面有成果了就写论文,半年左右一片,科研狗枯燥乏味,论文都是相互引用,水文章从讲师评职称到教授,所以说为什么中国高校中流传一句话:一流的本科,二流的硕博,三流的教授,有那么点意思在里面,不过并不能以偏概全,至少我现在的导师是硕果累累(核聚变等离子体约束行为方向)。
5. 微子达到超光速会如何,真的能做到超越光速吗
曾经意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为“OPERA”的实验装置,接收到来自欧洲核子研究中心的中微子。经测算,中微子在跑过这段732公里距离所用的时间,比光还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。
这一结果给科学界带来了巨大困惑,因为这与爱因斯坦狭义相对论中光速是宇宙速度的极限,没有任何物质的速度可以超越光速的理论相悖。正在学术界将信将疑之际,欧洲核子研究中心优化了实验方案并开始复核中微子超光速实验,最终认为“新的测量方法没有改变最初的结论”。
为此各国科学机构和专家都对此采取慎之又慎的态度,并认为:从概率上来说,最大的可能性是这个实验本身有漏洞,只不过现在还没有被发现。为此,欧洲核子研究中心特地举办了一场网络发布会,详细说明实验的方法以及各种误差的估算,同时邀请其他的实验机构重复相同的实验,来作为此结果的验证。
今年2月,欧洲核子研究中心发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象,但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度。为此他们将在今年5月重新做试验进行检测。
诺贝尔奖获得者格拉肖发表论文说,如果中微子真的超了光速,那么它的能量会在地下飞行过程中损失,实验结果会自相矛盾。因此,当务之急是重复实验结果。
当然还有另一种观点,认为中微子可能具有特殊性质,这样相对论也是对的,这个实验结果也是对的。比如说,欧洲核子研究中心发出的中微子有可能振荡到一种惰性中微子,而惰性中微子可以在多维空间中“抄近路”,然后再振荡回普通中微子,这样看起来中微子就跑得比光快了。
也有人认为中微子的质量不是固定的,与暗能量有关联,会随环境变化,这样在飞行过程中看起来比光速快。诸如此类的理论很多,不过这些理论本身就需要大量实验来证实。
正当笔者行文至此,准备等待新的实验结果时,好消息传来了:据国外媒体报道,爱因斯坦可以安心了,因为最新的实验结果显示,之前有关中微子超光速的消息并不成立,也就是说光速仍旧是不可超越的。这条结果也平息了之前对于这一消息的诸多争论。
欧洲核子中心研究主管赛吉尔·波特鲁西在一份声明中表示:“现有证据开始表明OPERA的实验结果是不正确的。然而不管结果如何,OPERA小组完成了一次完美的科学实验,并将他们的实验结果公之于众,接受最严苛的审查,并欢迎其他科学家对此进行独立测量。”
6. 什么是核聚变
核聚变是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量,原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核)往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,叫核裂变,如原子弹爆炸;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,叫核聚变,如太阳发光发热的能量来源。
核聚变,即氢原子核(氘和氚)结合成较重的原子核(氦)时放出巨大的能量。 热核反应[1],或原子核的聚变反应,是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核,如氢(氕)、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应(参见核聚变)。热核反应是氢弹爆炸的基础,可在瞬间产生大量热能,但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有控制地产生与进行,即可实现受控热核反应。这正是目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。
编辑本段反应条件
核聚变是指由质量小的原子,主要是指氘或氚,在一定条件下 太阳的能量来自它中心的热核聚变
(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量,原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核)往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,叫核裂变,如原子弹爆炸;如果是由轻的原子核变化为重的原子核,叫核聚变,如太阳发光发热的能量来源。 目前人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变,但是现在看来还有很长的路要走。
编辑本段可控核聚变方式
目前主要的几种可控核聚变方式: 超声波核聚变 激光约束(惯性约束)核聚变 磁约束核聚变(托卡马克) 典型的聚变反应是 411H—→42He+20n+1e+2.67×107eV 21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H—→31He+11H+4×106eV 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 后三个反应的净反应是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV
编辑本段核聚变的应用
1、可控核聚变的发生条件 产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太 EAST全超导非圆截面核聚变实验装置
阳系带来光和热,其中心温度达到1500万摄氏度,另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应,而地球上没办法获得巨大的压力,只能通过提高温度来弥补,不过这样一来温度要到上亿度才行。核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受,只能靠强大的磁场来约束。此外这么高的温度,核反应点火也成为问题。不过在2010年2月6日,美国利用高能激光实现核聚变点火所需条件。中国也有“神光2”将为我国的核聚变进行点火。 2、核聚变的反应装置 目前,可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。 托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。 托卡马克的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。 我国也有两座核聚变实验装置。 3、核聚变的优劣势 优势: (1).核聚变释放的能量比核裂变更大 (2).无高端核废料 (3).可不对环境构成大的污染,而且反应过程容易控制,核事故风险 极低! (4).燃料供应充足,地球上重氢有10万亿吨(每1升海水中含30毫克氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油) (5).无法用作核武器材料 也就没有了政治干涉! 劣势: 反应要求极高,技术要求极高 从理论上看,用核聚变制造武器和提供部分能源,是非常有益的。但目前人类还没有办法,对它们进行较好的利用。 (对于核裂变,由于原料铀的储量不多,政治干涉很大,放射性与危险性大,核裂变的优势无法完全利用。截至2006年,核能(核裂变能)发电占世界总电力约15%。说明了核裂变的应用的规模之大,更能说明优势比核裂变更大的核聚变能源前景更加光明。科学家们估计,到2025年以后,核聚变发电厂才有可能投入商业运营。2050年前后,受控核聚变发电将广泛造福人类。 )
编辑本段核聚变与恒星发光原理
当四个氢原子在高温下靠得很近时,四个质子会撞到一起时,其中两个会发生衰变,释放出两个反中微子和正电子,变成中子。这两个正电子会与原子核外电子相互湮灭,形成两个光量子;剩下的一共有两个中子、质子和电子,恰好形成一个氦原子。绝大多是恒星都是通过质子的衰变而发出光芒,这在日常生活中也用途很大。
编辑本段另一定义
比原子弹威力更大的核武器—氢弹,就是利用核聚变来发挥作用的。 EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置
核聚变的过程与核裂变相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变,比如氢的同位素氘()、氚(chuan)等。核聚变也会放出巨大的能量,而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程,它的光和热就是由核聚变产生的。 核聚变能释放出巨大的能量,但目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要利用人工核聚变产生的巨大能量为人类服务,就必须使核聚变在人们的控制下进行,这就是受控核聚变。 实现受控核聚变具有极其诱人的前景。不仅因为核聚变能放出巨大的能量,而且由于核聚变所需的原料——氢的同位素氘可以从海水中提取。经过计算,1升海水中提取出的氘进行核聚变放出的能量相当于100升汽油燃烧释放的能量。全世界的海水几乎是“取之不尽”的,因此受控核聚变的研究成功将使人类摆脱能源危机的困扰。 但是人们现在还不能进行受控核聚变,这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进行,因此又叫热核反应。可以想象,没有什么材料能经受得起1亿度的高温。此外还有许多难以想象的困难需要去克服。尽管存在着许多困难,人们经过不断研究已取得了可喜的进展。科学家们设计了许多巧妙的方法,如用强大的磁场来约束反应,用强大的激光来加热原子等。可以预计,人们最终将掌握控制核聚变的方法,让核聚变为人类服务。 利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘(读"刀",又叫重氢)和氚(读"川",又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。 核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说是取之不竭的能源。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。 第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质,所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行,所以是安全的。 国际热核聚变实验堆装置示意图
目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场,把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功,但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平,要建立托卡马克型核聚变装置,需要几千亿美元。 另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,受它的反作用,球面内层向内挤压(反作用力是一种惯性力,靠它使气体约束,所以称为惯性约束),就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样,小球内气体受挤压而压力升高,并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度(大概需要几十亿度)时,小球内气体便发生爆炸,并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短,只有几个皮秒(1皮等于1万亿分之一)。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去,所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。 原理上虽然就这么简单,但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率,离需要的还差几十倍、甚至几百倍,加上其他种种技术上的问题,使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。 尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服,但其美好前景的巨大诱惑力,正吸引着各国科学家在奋力攀登。
编辑本段原理
简单的回答:根据爱因斯坦质能方程E=mc2. 原子核发生聚变时,有一部分质量转化为能量释放出来。 只要微量的质量就可以转化成很大的能量。 两个轻的原子核相碰,可以形成一个原子核并释放出能量,这就是聚变反应,在这种反应中所释放的能量称聚变能。聚变能是核能利用的又一重要途径。 最重要的聚变反应有: 式中D是氘核(重氢)、T是氚核(超重氢)。以上两组反应总的效果是: 即每“烧’掉6个氘核共放出43.24MeV能量,相当于每个核子平均放出3.6MeV。它比n+裂变反应中每个核子平均放出200/236=0.85MeV高4倍。因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。 核聚变能利用的燃料是氘(D)和氚。氘在海水中大量存在。海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约40万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚可以有锂制造。锂主要有锂-6和锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后,可以变成氚并放出能量。锂-7要吸收快中子才能变成氚。地球上锂的储量虽比氘少得多,也有两千多亿吨。用它来制造氚,足够用到人类使用氘、氘聚变的年代。因此,核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。 在可以预见的地球上人类生存的时间内,水的氘,足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说,地球上的聚变燃料,对于满足未来的需要说来,是无限丰富的,聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。六十多年来科学家们不懈的努力,已在这方面为人类展现出美好的前景。 典型的聚变反应是 411H—→42He+20-1e+2.67×107eV 21H+21H—→32He+10n+3.2×106eV 21H+21H—→31H+11H+4×106eV 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 后三个反应的净反应是 521H—→42He+32He+11H+210n+2.48×107eV 即每5个21H聚变后放出2.48×107eV能量。 氘是相当丰富的氢同位素,在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,这意味着海洋是极大量氘的潜在来源。仅在1L海水中就有1.03×1022个氘原子,就是说每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。 要使原子核之间发生聚变,必须使它们接近到飞米级。要达到这个距离,就要使核具有很大的动能,以克服电荷间极大的斥力。要使核具有足够的动能,必须把它们加热到很高的温度(几百万摄氏度以上)。因此,核聚变反应又叫热核反应。原子弹爆炸产生的高温可引起热核反应,氢弹就是这样爆炸的。 受控核聚变是等离子态的原子核在高温下有控制地发生大量原子核聚变的反应,同时释放出能量。氘是最重要的聚变燃料,海洋是氘的潜在来源,一旦能实现以氘为基本燃料的受控核聚变,人们就几乎拥有了取之不尽、用之不竭的能源。氢弹爆炸释放出来的大量聚变能、原子弹爆炸释放出来的大量裂变能,都是不可控制的。在第一颗原子弹爆炸后仅十多年,人们就找到控制裂变反应的办法,并建成了裂变电站。原以为氢弹炸爆后能建成聚变电站,但并不如此简单,即使在地球条件下能发生的聚变反应: 31H+21H—→42He+10n+1.76×107eV 也只能在极高的温度(>4000℃)和足够大的碰撞几率条件下,才能大量发生。因此实际可作为能源使用的受控热核聚变反应,必须在产生并加热等离子体到亿万摄氏度高温的同时,还要有效约束这一高温等离子体。这就是近几十年内研究的难题和期望攻克的目标。中国的中科院物理所、中科院等离子物理所、西南物理研究院在实验工程和理论研究各方面都做了许多的工作,也取得了许多重要的进展。
7. 关于高能对撞机,你赞成谁的观点
最近,一篇名为《 丘成桐:关于中国建设高能对撞机的意见并回复媒体的问题》发表在蝌蚪五线谱网站后,引起了很多人的关注。
8. 十大暗物质实验室
1.锦屏地下实验室 2.美国南达科他州布莱克山山底实验室
9. 关于中子的一堆问题
中子和反中子都不带电菏,自旋相反,中子和反中子一旦相遇会湮灭成光子,能量100%释效。
其它一堆问题?见下三图:
图中+-号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特(qubit)
(名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit
量子信息研究兴盛后,此概念升华为,万物源于量子比特)
注:位元即比特