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欧博allbet网址:若何丈量一亿度的高温?

admin2021-09-1972

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出品:科普中国

制作:慕云深

监制:中国科学院盘算机网络信息中央

我国的EAST人造太阳不久前实现了将1.5亿摄氏度高温等离子体维持101秒的纪录,标志着我们走向可控核聚变的主要一步。可控核聚变的原理,本质上就是把两颗氢原子核捏成一颗氦原子核。为此,必须用高达数亿度的温度将其“捏”在一起。

那么问题来了:这么高的温度,我们是若何丈量的呢?会有一个能测出这么高温度的温度计吗?

什么是温度?

质量形貌的是物体有若干物质,长度形貌的是物体占有一维空间的巨细,那么温度(temperature)到底是什么呢?我们可以直观地感受到物质的冷热,但对温度的本质却并不领会。

虽然人们不知道温度到底是什么,但科学家很早就知道物体的热胀冷缩征象。行使这一点,人们很早就发现晰温度计,行使液体的差异体积和其温度的对应关系,来丈量温度

人体外面温度的漫衍。图片泉源:百度百科

为了形貌温度的崎岖,人们发现晰差其余温标。例如摄氏温标(°C)划定,水的凝固点是0°C,沸点是100°C,将其中的温度差平均分为100份,每份就是1°C。

而华氏温标(°F)划定,水的凝固点是32°F,沸点是212°F,其中的温度差平均分为180份,每份就是1°F。

摄氏度与华氏度 图片泉源:http://www.vimsky.com

直到近代,物理学家才领会到物质都是由小微粒组成的,而且这些小微粒都在一直地做着无规则的运动。人们发现,越热的物体,其中的小微粒的运动也越快,而越冷的物体,其中的小微粒的运动就越慢。(实在准确地说,热的物体其单独的某一分子运动并非一定比冷的物体快,只是整体平均来看,热的物体所有分子的“平均速率”比冷物体的分子平均速率快)。

此时我们才真正明白温度的本质:温度是组成物体的微粒的平均运动速率的量度

温度升高,微粒的随机运动加速 图片泉源:https://study.com/

(按界说来说,温度是组成物体的微粒的“平均动能”的量度,温度正比于这一平均动能,而动能正比于运动速率的平方。为了利便明白,此处简化为温度与微粒的运动速率相关。)

于是,人们就找到了一个真正意义上的温度的零点,也就是当微粒的随机运动完全住手的时刻,此时的温度就应当界说为零度。这就是我们通常所说的“绝对零度”(absolute zero)。

经由理论盘算可以发现,这一绝对零度的数值约为-273.15°C。若是把摄氏温标中的零点位置向下挪动273.15°C,这样所有的温度就都是正数,这种温标也被称为开尔文温标(K)。

三种温标的对照 图片泉源:https://files.mtstatic.com/

曲线救国:常见的测温工具

在丈量某个物理量的时刻,我们有两种差其余战略:丈量这个量的自己,或者丈量这个量所引起的其他效果。

例如,我们要丈量一个长方体的体积,可以有两种方式:丈量其长宽高,然后相乘获得体积,这就是直接丈量体积自己。另一种方式是,我们将这个长方体浸入水中,丈量倾轧的水的若干,来换算发展方体的体积。这种方式现实上是在丈量“体积所引起的排水效应”,从而间接丈量体积这个物理量。

前面我们讲过,温度形貌的是物体中的微粒运动的速率。由于我们很难将微粒剥离出来而且逐个丈量其速率,以是一样平常生涯中我们使用的测温装置,往往都是在丈量“温度引起的其他效应”

最简朴的就是上文提到过的液体温度计,行使的是温度引起的热胀冷缩效应;疫情防控常用的测温枪和测温摄像头,行使的是差异温度的物体会发出差其余红外线的原理。

一种测温枪 图片泉源:https://www.pce-instruments.com

电子装备或家用电器上常用的测温元件,由于涉及到和电路相互作用,以是主要选用热电偶和热敏电阻两种。

热电偶(thermocouple)顾名思义,一样平常由两根差其余平行金属丝组成,它们的一端可以称为“受热端”,而另一端可以称为“冷端”。

受热端受热时,其内部有些电子会获得足够的能量而跑到冷端;差其余金属,其电子受热逃走的水平差异,因此在它们的冷端,电子的漫衍是有差异的,因此丈量这两个冷端之间的电压,即可知道它们受热端所处的温度了。

热电偶的原理 图片泉源:http://yunrun.com.cn/

而热敏电阻(thermistor)则是一种特殊的电阻,其电阻值会受到温度崎岖的影响。因此只要丈量电阻阻值的巨细,就可以间接知道其温度的崎岖了。

热敏电阻 图片泉源:https://www.electrokit.com/

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所有这些测温工具,并不是直接丈量温度的本质――微粒运动的快慢,而是都依赖温度的某个其他效应,也就是需要其他物质做前言。

可是当人造太阳中等离子体的温度到达1亿度时,没有任何物质能够存在其旁边,以是这些间接的方式也就都失效了。要想丈量这么高的温度,是时刻回归温度的本质了。

电子测速:多管齐下

既然温度的本质是物质中微粒运动速率的快慢,要想在1亿度高温下,举行温度丈量,那就只能丈量微粒运动的速率了。

在人造太阳中,待测温的事情物体是等离子体(pla *** a),组成等离子体的微粒是电子和离子。围绕着这两种微粒,科学家发现晰一系列差其余测速工具。

其中一种方式是基于磁场的。当电子在磁场中运动时,磁场会对其施加一种称为“洛伦兹力”的作用力,使其举行螺旋运动。电子的运动速率越快,其旋转的频率就越快(学过洛伦兹力的同伙可以留言实验推导一下)。

而电子是带电的,举行旋转运动时会发射出电磁波,这电磁波的频率跟电子旋转的频率有关。这样,我们只要检测这电磁波的频率,就可以通过推导出的数学纪律来盘算出电子运动的速率。而凭证这速率,我们就可以器量电子的温度。

(按界说来说,温度是“平均动能”的量度,因此只丈量一个电子的速率,并不能得出其温度。要想判断等离子体的温度,必须丈量一系列的电子,将其速率拟合到麦克斯韦-玻尔兹曼漫衍上。)

在磁场中,差异运动速率的电子会发生差异频率的螺旋,进而发生差异频率的电磁波。测定这一电磁波,可以知道电子运动的速率。图片泉源:https://www.scienceinschool.org

而另一种方式的原理,跟交警使用的测速仪的原理是一样的,也就是多普勒效应(the Doppler effect)

多普勒效应最直观的体现,就是当鸣笛的汽车从我们身边驶过。当汽车逐渐靠近我们时,鸣笛的音调会较高;而汽车离我们远去时,其鸣笛的音调会听起来更低一些。

多普勒效应原理示意图 图片泉源:baidu.com

这是由于,汽车的运动速率影响了声音到达耳朵时的声速,从而使得我们感受到的声音频率发生了转变。

向飞驰的汽车发出一束雷达波,而且吸收其反射波。反射波的频率会由于车速的影响而发生改变,因此丈量这一改变的巨细就可盘算出车速。若是向等离子体中发出一束激光,那么激光就会与其中的电子发生相互作用,而发生该激光的散射(这一征象称为“汤姆逊散射”)。

散射出来的激光跟入射激光相对来说,其频率会稍有差异,这是由于散射历程受到了电子自己移动速率的影响,就似乎雷达波受到车速影响,而改变了频率一样。

多普勒原理丈量电子速率:左侧的激光照在电子上发生汤姆逊散射,由于电子运动速率的影响,散射光的频率发生转变(变红或变蓝),上方的检测器可以检测频率转变,进而推算电子的速率。图片泉源:https://www.scienceinschool.org

通过丈量这一频率的转变,就可以算出电子的运动速率,进而算出等离子体的温度。

变废为宝:离子测速

丈量1亿度的高温,不能只依赖一种方式。除了电子速率的丈量之外,科学家需要一些丈量离子温度(也就是说,丈量离子速率)的方式。

由于氢离子仅有一颗质子组成,其巨细不足以被探测到,以是直接丈量氢离子速率不太容易实现。但人们发现,等离子体中不能阻止地会混入一些杂质,这些杂质因素给了科学家以灵感。

例如,有些等离子体约束装置中会含有金属钨,这就使得事情等离子体中混有痕迹量的钨。钨原子是较重的原子,这就使其原子核的电磁吸引力异常大,以至于在1亿度的高温下,仍然能约束住不少核外电子。

在高温下,被约束的核外电子会发出X射线辐射,这一辐射同样也会由于钨离子自己的速率而发生多普勒效应。通过丈量这一多普勒效应,也就可以算出该离子的速率,而且进一步推算出离子温度了。

多个测温方式都有其优劣点,团结运用才可以更准确地测得温度。

我们何时才气实现“能量自由”?

对于人类社会来说,能源是推动社会生长的主要动力,能源的生长可以极大知足人类的许多需求。

例如,机械和肥料的使用让人们的粮食产量大为增添,而机械和肥料都是需要大量能量才气获得的物资;汽车和飞机让人们的交通加倍便捷,从北京到上海只要几个小时,这在前工业时代是不能想象的。

若是难以明白可控核聚变对人类的意义,不妨来思量一下人类驯服野牛野马的历程。牛马等畜力为人类提供了足够而廉价的动力泉源,极大地提升了人类的流动局限和耕作能力,让人类获得了更进一步的解放和生长。

而核聚变与牛马的差异就在于,一克核聚变燃料所能释放的能量,约即是一匹马不眠不休地事情14.5年所孝顺的能量(马:求求你做小我私人吧!)。

因此,早日实现可控核聚变,获得“能量自由”的主要性,就不言而喻了。辛勤事情的科研事情者获得的主要功效来之不易,让我们期待人类早日实现“能量自由”吧!

参考文献:

Dooley P (2012) Seeing the light: monitoring fusion experiments. Science in School 24: 12-16.

Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22: 42-48.

https://web.archive.org/web/20070221005552/http://mathworld.wolfram.com/MaxwellDistribution.html

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