第三讲 尖端科技上

1931年,奥地利物理学家泡利,为了解释β衰变中 能量似乎不守恒,通过大量的理论推理与 计算作出了天才的预言:在我们的物质世 界中存在中微子。
☆一种原子核变为另一种原子核的过程中,如果放 出电子,那么这种核反应叫做β衰变.
1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量 理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁 力以外,还有第三种相互作用——弱相互作 用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互 作用衰变成一个电子、一个质子和一个中
托卡马克装置
2006年9月28日,中国耗时6年,耗资3亿元人民币 自主设计制造的“全超导非圆截面托卡马克”磁
约束核聚变实验装置“EAST”首次成功完成放电 实验。这套装置研制的目标是产生100万安培的 等离子体电流,持续放电时间达到1000秒,在高功 率加热下等离子体温度超过一亿度,为最终实现 核聚变点火做好准备。
环境。预计研究“希格斯粒子”(科学家相信这种粒 子赋予了其他粒子质量),寻找微型黑洞,磁单极子, 以及探索我们所知道的每一类基本微粒是否有一
种不可见的超对称微粒存在7000多名科学家参与 工程,共同开启“物理学的黄金时代”。
(二)解开宇宙之谜的钥匙 —— 中微子研究
中微子是一种不带电荷,且质量几乎为零的粒子, 速度接近光速。中微子不会被其他物质吸收,也 不会被其他东西反射,具有不可思议的极强的穿透 能力,能够自由地穿过墙壁、山脉、甚至地球与其 他行星。物理学家估计,中微子能够自由穿透厚度 比地球到太阳的距离还高出几十亿倍的铁板。如
尖端科技(上) —— 世界科学研究热点
(一)解开物质结构的终极秘密 —— 寻找“希格斯粒子”
自从描述物质结构的标准物理模型 建立以来,解释并预言了目前人类所发现 的所有粒子.迄今为止还没有发现与标准 模型相矛盾的地方,只有希格斯粒子除外。
2008年,耗资约84亿美元的欧洲大型强子对撞机 (LHC)竣工。这个地下圆环修建在日内瓦近郊的 乡村,位于地底100米深处,周长近27公里,是世界 最大的超导加速器和显微镜。借助它,科学家们 将有可能模拟出宇宙“大爆炸”发生后一微秒内的
1968年8月,在苏联召开国际受控核聚变研讨会 上,前苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿齐莫维 齐宣布苏联在T-3托卡马克装置上实现了1000 万度高温以上获得稳定环形等离子体放电,并实 现能量输出,这是受控核聚变研究的重大突破。
☆托卡马克装置是在磁笼线圈中通电产生巨大
磁场,将等离子体揽在环形真空室内做高速螺 旋运动,就好像链球运动员一样,虽然球在围着 身体高速旋转,控制球的绳子却一直抓在手里, 它可以把炙热的等离子体托举在空中,使核聚 变物质与容器隔离
2008.5.22日,日本大阪大学的荒田吉明(Yoshiaki Arata)教授和上海交大的张月昌在媒体前公开展 示了他们的最新研究成果: 用高压将氘气压入包 含锆氧化物(ZrO2)和钯纳米粉末的真空单元内。 反应容器的温度上升到70摄氏度,并且长期处于 远高于室温的状态达50个小时,同时观察到氢-4 (融合的信号)。据称这些热量便是来自冷核聚变 反应。这一演示实验具有高度的可重复性。
一。它的建造大约需要10年,耗资50亿美元(1998 年值),2016年完工。它的真空就有一万立方米, 它的目标是用0.5克氘氚混合燃料,持续八分钟发 电50万千瓦。合作承担ITER计划的7个成员是 欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国。
但是核聚变实验堆在未来30～50年内还难以实现 持久、可靠、稳定和高效率的商业化发电运行。
☆自由穿行于宇宙空间、星系、行星的 中微子流,能够传递超新星与宇宙深 处未知情况的独特信息。将来的发 现可能会帮助我们揭开宇宙形成的 奥秘。
日本的一个中微子观察站,隐藏在地底1000米的地方。
分
(三)人工控制核聚变 —— 托卡马克装置
核聚变是由较轻的原子核聚合成较重的较重的 原子核并释出能量。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。
由于当时的实验用的是重水,又是在常温下,人们就 把这种现源自文库称之为“冷核聚变”。
传统核物理理论认为,只有在非常高的温度和 压强下,克服库仑势垒才能发生氘核聚变,这对 反应堆的设计和结构材料的选择都是巨大的 挑战。如果能实现室温条件下的核聚变,便意 味着将来在实验室里就能提供取之不尽、用之 不竭的清洁能源,这无疑将是人类科学史上的 重大突破。
微子。他的理论定量地描述了β射线能谱 连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之 谜终于解开。
1952年,美国物理学家艾伦与罗德巴克合作,用 实验间接证明存在中微子。
1956年,美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到 电子中微子。
1962年,美国莱德曼,舒瓦茨,斯坦伯格发现第二 种中微子——μ(缪)中微子。
☆超流现象是一种宏观范围内的量子效应。由于
玻色子体系不受泡利原理的限制,且粒子总是 自发地向低能级跃迁,玻色子有向基态能级凝聚 的倾向,叫做玻色—爱因斯坦凝聚。由于玻色— 爱因斯坦凝聚,氦原子形成了一个“抱团很紧”的 集体,这是产生超流现象的根本原因。玻爱凝聚 态物质就是超导体和超流体。
☆物理学把零下273.16℃叫做绝对零度。绝对 零度就是说物体内部分子热运动不存在,分子 被完全“冻”住了。 处于绝对零度下的微观粒
子系统,就是热能的最低态,在量子力学中叫做 基态。 热力学第三定律指出,绝对零度是达不 到的,但是可以不断接近它。随着温度的一步 步降低,许多奇妙的量子现象就会呈现。如超导 (电阻消失、磁力线排出物体外)、超流(流体不 呈现粘滞性,具有很好的热导率)、玻色爱因斯坦 凝聚(所有原子同时降到能量最低态)等等。
☆冷核聚变简介
“冷核聚变”又称“低能核反应”,或“化学辅助核反 应”。1989年3月23日,美国犹他大学在盐湖城召 开了一次不同寻常的新闻发布会,会上宣称,两位 化学家——犹他大学的庞斯博士和英国南安普顿 大学的弗莱希曼博士实现了常温核聚变:他们用钯 电极在常温下电解重水,观察到了异常的热量输出 和少量的中子,两人认为这是两个氘原子的核聚变。 (按照核聚变原理,核聚变将会释放出中子、氚和伽 马射线,同时释放出巨大的能量)后因担心发生爆炸, 他们及时终止了实验。该现象一经公布就在全世 界范围内引起了一场轩然大波。
这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应
堆,并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内, 核聚变就能持续下去;核聚变产生的能量一小部分 留在反应体内,维持链式反应,剩余大部分的能量可 以通过热交换装置输出到反应堆外,驱动汽轮机发 电。这就和传统核电站类似了。
☆国际热核聚变实验堆(ITER)计划是目前全球 规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之
国际热核聚变实验堆计划
法国Tore Supra托卡马克装置,中间为环形 真空室。
1988年,拍摄的法国Tore Supra托卡马克装置 环形真空室内部安装照片。
2002年,拍摄的法国Tore Supra托卡马克装置 环形真空室内部照片。
法国Tore Supra托卡马克装置环形真空室内部 高温等离子体运行录像。
1937年,苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态 氦4的超流体特性。超流体这一现象很快被苏联 科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。不过, 科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流 体现象。
1938年,阿兰等人发现的氦刀喷泉。将一个上细 下粗的玻璃管浸入液氦中。用光照射玻璃管粗的 下部,使管内的液氦温度升高,超流成分激发成正 常成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移, 形成内外压强差,液氦将从细喷嘴喷出。光越强 喷得越高,可以高达数厘米。
1968年,美国戴维斯发现太阳中微子失踪。 1982年,费米实验室的科学家用实验支持了τ
(涛)中微子存在的假设。 1989年,欧洲核子研究中心证明存在且只存在
三种中微子。
1998年,日本超级神岗实验以确凿的证据发现了 中微子振荡现象,所谓中微子振荡就是三 代中微子之间的相互转化。这间接证明 了中微子具有微小的静止质量。
这两位化学家的发现激起了全世界无数科学家 的兴趣,纷纷开始在实验室里重复这项实验。然 而,实验的结果非常令人沮丧,没有一个科学家能 够再次观察到室温条件下核聚变的发生。人们 开始失望,并逐渐转化为对这两位化学家诚信的 怀疑。在弗莱希曼博士和庞斯博士的实验完成 半年之后,美国能源部根据许多失败的实验写了 一份报告,正式否定了这项轰动一时的科学发现, 结论为两位科学家测量错误和为获取研究资金 的不恰当动机。
2011年11月8日,意大利一名物理学家 宣称,由他制造的一台机器已经成功实 现“冷聚变”,能在不产生有害辐射物的 情况下,生产出大量安全核能。
(四)低温下液氦Ⅱ倒流现象 —— 超流技术
1908年7月,卡末林·昂尼斯在荷兰莱顿低温实验 室实现氦的液化,同时发现：在极低温度下,液态 氦的粘性会消失,它在任何东西上流动都没有阻 力,如果把盛着液态氦的小玻璃杯提出来,挂在半 空,杯内的液氦会不断地垂直爬上杯壁,流到杯子 下面并滴下,不一会,杯中的液氦就会漏光。科学 家把这种没有阻力的流动叫作超流。且超流状态 的液氦的传热系数比铜还好。
☆“冰立方”是全球最大的中微子探测器,是一个 直径为200米,高度为1千米的圆柱状探测器, 位于南极洲冰面下1400米处。由于中微子与 原子相撞时会产生粒子(μ介子),生成的蓝色 光束被称作“切伦科夫辐射”。由于南极冰的 透明度极高,冰立方的光学传感器能发现这种 蓝光。为防止自然光及南半球的宇宙射线对 其产生干扰,它必须悬垂于冰面下。
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。
☆液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的 烧杯部分地浸于氦Ⅱ中时,烧杯外的液氦将沿 烧杯外壁爬上杯口,并进入杯内,直至杯内和杯 外液面持平。反之,将盛有液氦的烧杯提出液氦 面时,杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下 。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程 长短和障壁高度无关。
☆氦是目前人类唯一知道即使在绝对零度也不会 被冻成固体的物质。(固态氦是1926年基索姆用 降低温度和增大压力的方法首先得到的).
2000年,美国费米实验室发现第三种中微子,τ中 微子。
2001年,加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子 转换成了其它中微子。
2002年,日本KamLAND实验用反应堆证实太阳 中微子振荡。
2003年,日本K2K实验用加速器证实大气中微子 振荡。
2006年,美国MINOS实验进一步用加速器证实 大气中微子振荡。
EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置
☆核聚变反应堆基本设想:在核聚变反应堆中,先 将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态。 继续加温,直至上亿摄氏度,原子核以极快的速度 运行,氘和氚在超高温条件下,发生原子核互相聚 合作用,生成较重的原子核氦,并释放出中子和巨 大的能量。反应堆经过一段时间运行,内部反应 体已经不需要外来能源的加热,核聚变的温度足够 使得原子核继续发生聚变。
氦刀喷泉
1970年,英国科学家安东尼·莱格特发现:氦的同位 素氦3的原子对与超导体中的金属的电子对结构 相似。从理论上根本解释了氦原子是如何互动和 如何进入超流这种有序状态的。
2002年,德国科学家实现铷原子气体超流体态与 绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在 量子计算机研究方面带来重大突破。
果有数光年厚的一个铅做成的壁垒的话,中微子也 能从容穿过,且它们本身丝毫不受影响。中微子不 带电荷,它们的运动路线也不会因其他电磁场而发 生弯曲。由于中微子的探测十分困难,至今它的质 量尚未直接测到,大小未知。
在所有的已经发现基本粒子中,人们对 中微子了解最晚,也最少。中微子有大 量谜团尚未解开。