第三讲尖端科技上

第三讲尖端科技上演示文稿现在是1页\一共有59页\编辑于星期一（优选）第三讲尖端科技上现在是2页\一共有59页\编辑于星期一2008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”。

现在是3页\一共有59页\编辑于星期一现在是4页\一共有59页\编辑于星期一现在是5页\一共有59页\编辑于星期一(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。现在是6页\一共有59页\编辑于星期一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。现在是7页\一共有59页\编辑于星期一1931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。现在是8页\一共有59页\编辑于星期一1952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。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。现在是9页\一共有59页\编辑于星期一1998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。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。现在是10页\一共有59页\编辑于星期一2006年,美国MINOS实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。☆“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。现在是11页\一共有59页\编辑于星期一☆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。现在是12页\一共有59页\编辑于星期一日本的一个中微子观察站,隐藏在地底1000米的地方。分现在是13页\一共有59页\编辑于星期一(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。

现在是14页\一共有59页\编辑于星期一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。现在是15页\一共有59页\编辑于星期一1968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。现在是16页\一共有59页\编辑于星期一☆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

现在是17页\一共有59页\编辑于星期一托卡马克装置现在是18页\一共有59页\编辑于星期一现在是19页\一共有59页\编辑于星期一2006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。现在是20页\一共有59页\编辑于星期一EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置现在是21页\一共有59页\编辑于星期一现在是22页\一共有59页\编辑于星期一现在是23页\一共有59页\编辑于星期一☆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。现在是24页\一共有59页\编辑于星期一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。现在是25页\一共有59页\编辑于星期一现在是26页\一共有59页\编辑于星期一☆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。现在是27页\一共有59页\编辑于星期一国际热核聚变实验堆计划

现在是28页\一共有59页\编辑于星期一法国Tore

Supra托卡马克装置,中间为环形真空室。现在是29页\一共有59页\编辑于星期一1988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。现在是30页\一共有59页\编辑于星期一2002年,拍摄的法国Tore

Supra托卡马克装置环形真空室内部照片。现在是31页\一共有59页\编辑于星期一法国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。现在是32页\一共有59页\编辑于星期一☆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。现在是33页\一共有59页\编辑于星期一由于当时的实验用的是重水,又是在常温下,人们就把这种现象称之为“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。

现在是34页\一共有59页\编辑于星期一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。现在是35页\一共有59页\编辑于星期一2008.5.22日,日本大阪大学的荒田吉明(YoshiakiArata)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。现在是36页\一共有59页\编辑于星期一现在是37页\一共有59页\编辑于星期一2011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。现在是38页\一共有59页\编辑于星期一(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。现在是39页\一共有59页\编辑于星期一☆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).现在是40页\一共有59页\编辑于星期一物理学把零下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。现在是41页\一共有59页\编辑于星期一1937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。

现在是42页\一共有59页\编辑于星期一氦刀喷泉现在是43页\一共有59页\编辑于星期一1970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。现在是44页\一共有59页\编辑于星期一☆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。现在是45页\一共有59页\编辑于星期一(五)低温下导体电阻消失现象

——超导技术1911年,荷兰莱顿大学的卡末林•昂内斯意外地发现,用液氦冷却汞,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失;后来他又发现铅、锡等许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,卡末林•昂内斯把物质具有这种特殊导电性能时的状态为超导态。现在是46页\一共有59页\编辑于星期一人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流并持续地存在下去,从而产生超强磁场。有人曾在超导材料做成的环中把电流维持两年半之久而毫无衰减。现在是47页\一共有59页\编辑于星期一1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质,当金属处在超导状态时,超导体内的磁感应强度为零,却把原来存在于体内的磁场排挤出去。超导体表现出完全抗磁性,这种现象称之为“迈斯纳效应”。但当外部磁场大于临界值时,超导性被破坏。现在是48页\一共有59页\编辑于星期一1935年,德国的弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦兄弟,发表论文《超导体的电磁学方程》,成功地解释了迈斯纳效应,并提出了著名的伦敦方程。据此他们给出重要的预言:超导电流只在超导体的表面极薄的一层内(厚度大约是万分之一厘米)存在,不久后他们的预言得到证实。1950年,美国国家标准局的迈克斯伟等人公布了超导物理的同位素效应,即物体的超导温度与同位素的质量相关,质量越轻,转变温度便越高。现在是49页\一共有59页\编辑于星期一1957年,美国物理学家巴丁、库珀、施里弗经过复杂的研究和推理后提出了以他们名字首字母命名的BCS理论,用于解释超导现象的微观机理。

现在是50页\一共有59页\编辑于星期一BCS理论认为:在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对,无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体,电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量,因此超导体中基态和激发态之间存在能量差,即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在,超导的各种奇妙现象无不迎刃而解,甚至还可以从BCS中直接推出伦敦方程,京茨堡—朗道方程等诸多唯象理论,这一理论的提出标志着超导理论的正式建立,使超导研究进入了一个新的阶段。不过BCS理论无法解释高温超导的现象。现在是51页\一共有59页\编辑于星期一1980年,法国物理学家热罗姆等人首次发现了有机物超导体。☆利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。把一块磁铁放在超导盘上,由于超导盘把磁感应线排斥出去,超导盘跟磁铁之间有排斥力,结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的,超导悬浮列车就是一例。现在是52页\一共有59页\编辑于星期一现在是53页\一共有59页\编辑于星期一下图中,利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的相反磁极性之间的磁排引力而浮起。又列车上磁铁与铁轨两侧的相同磁