如何测量一亿度的高温
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秒的记录,标志着我们走向可控核聚变的重要一步。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,我们是如何测量的呢
《如何测量一亿度的高温》由9gexing.com整理发布。
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秒的记录,标志着我们走向可控核聚变的重要一步。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,我们是如何测量的呢?会有一个能测出这么高温度的温度计吗?
什么是温度?
质量描述的是物体有多少物质,长度描述的是物体占据一维空间的大小,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了解。
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现象。利用这一点,人们很早就发明了温度计,利用液体的不同体积和其温度的对应关系,来测量温度。
为了描述温度的高低,人们发明了不同的温标。例如摄氏温标(°C)规定,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。
摄氏度与华氏度
而华氏温标(°F)规定,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。
直到近代,物理学家才了解到物质都是由小微粒组成的,而且这些小微粒都在不停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。(其实准确地说,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“平均速度”比冷物体的分子平均速度快)。
此时我们才真正理解温度的本质:温度是构成物体的微粒的平均运动速度的量度。
按定义来说,温度是构成物体的微粒的“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度的平方。为了方便理解,此处简化为温度与微粒的运动速度相关。
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停止的时候,此时的温度就应当定义为零度。这就是我们通常所说的“绝对零度”(absolute zero)。
经过理论计算可以发现,这一绝对零度的数值约为-273.15°C。如果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)。
曲线救国:常见的测温工具
在测量某个物理量的时候,我们有两种不同的策略:测量这个量的本身,或者测量这个量所引起的其他效果。
例如,我们要测量一个长方体的体积,可以有两种方法:测量其长宽高,然后相乘得到体积,这就是直接测量体积本身。另一种方法是,我们将这个长方体浸入水中,测量排出的水的多少,来换算成长方体的体积。这种方法实际上是在测量“体积所引起的排水效应”,从而间接测量体积这个物理量。
前面我们讲过,温度描述的是物体中的微粒运动的速度。由于我们很难将微粒剥离出来并且逐个测量其速度,所以日常生活中我们使用的测温装置,往往都是在测量“温度引起的其他效应”。
最简单的就是上文提到过的液体温度计,利用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,利用的是不同温度的物体会发出不同的红外线的原理。
电子设备或家用电器上常用的测温元件,因为涉及到和电路相互作用,所以主要选用热电偶和热敏电阻两种。
热电偶(thermocouple)顾名思义,一般由两根不同的平行金属丝组成,它们的一端可以称为“受热端”,而另一端可以称为“冷端”。
热电偶的原理
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;不同的金属,其电子受热逃脱的程度不同,因此在它们的冷端,电子的分布是有差异的,因此测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。
热敏电阻
而热敏电阻(thermistor)则是一种特殊的电阻,其电阻值会受到温度高低的影响。因此只要测量电阻阻值的大小,就可以间接知道其温度的高低了。
所有这些测温工具,并不是直接测量温度的本质——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媒介。
可是当人造太阳中等离子体的温度达到1亿度时,没有任何物质能够存在其旁边,所以这些间接的方法也就都失效了。要想测量这么高的温度,是时候回归温度的本质了。
电子测速:多管齐下
既然温度的本质是物质中微粒运动速度的快慢,要想在在1亿度高温下,进行温度测量,那就只能测量微粒运动的速度了。
在人造太阳中,待测温的工作物体是等离子体(plasma),构成等离子体的微粒是电子和离子。围绕着这两种微粒,科学家发明了一系列不同的测速工具。
其中一种方法是基于磁场的。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,使其进行螺旋运动。电子的运动速度越快,其旋转的频率就越快(学过洛伦兹力的朋友可以留言尝试推导一下)。
而电子是带电的,进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规律来计算出电子运动的速度。而根据这速度,我们就可以度量电子的温度。(按定义来说,温度是“平均动能”的量度,因此只测量一个电子的速度,并不能得出其温度。要想判断等离子体的温度,必须测量一系列的电子,将其速度拟合到麦克斯韦-玻尔兹曼分布上。)
在磁场中,不同运动速度的电子会产生不同频率的螺旋,进而产生不同频率的电磁波。测定这一电磁波,可以知道电子运动的速度
而另一种方法的原理,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
这是因为,汽车的运动速度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变化。
向飞驰的汽车发出一束雷达波,并且接收其反射波。反射波的频率会因为车速的影响而产生改变,因此测量这一改变的大小就可计算出车速。如果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,而产生该激光的散射(这一现象称为“汤姆逊散射”)。
多普勒原理测量电子速度:左侧的激光照在电子上发生汤姆逊散射,由于电子运动速度的影响,散射光的频率发生变化(变红或变蓝),上方的检测器可以检测频率变化,进而推算电子的速度。
散射出来的激光跟入射激光相对来说,其频率会稍有不同,这是由于散射过程受到了电子本身移动速度的影响,就好像雷达波受到车速影响,而改变了频率一样。
通过测量这一频率的变化,就可以算出电子的运动速度,进而算出等离子体的温度。
变废为宝:离子测速
测量1亿度的高温,不能只依赖一种方法。除了电子速度的测量之外,科学家需要一些测量离子温度(也就是说,测量离子速度)的方法。
由于氢离子仅有一颗质子构成,其大小不足以被探测到,所以直接测量氢离子速度不太容易实现。但人们发现,等离子体中不可避免地会混入一些杂质,这些杂质成分给了科学家以灵感。
例如,有些等离子体约束装置中会含有金属钨,这就使得工作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非常大,以至于在1亿度的高温下,仍然能束缚住不少核外电子。
在高温下,被束缚的核外电子会发出X射线辐射,这一辐射同样也会因为钨离子本身的速度而产生多普勒效应。通过测量这一多普勒效应,也就可以算出该离子的速度,并且进一步推算出离子温度了。
多个测温方法都有其优劣点,联合运用才可以更准确地测得温度。
我们何时才能实现“能量自由”?
对于人类社会来说,能源是推动社会发展的重要动力,能源的发展可以极大满足人类的很多需求。
例如,机械和肥料的使用让人们的粮食产量大为增加,而机械和肥料都是需要大量能量才能获得的物资;汽车和飞机让人们的交通更加便捷,从北京到上海只要几个小时,这在前工业时代是不可想象的。
如果难以理解可控核聚变对人类的意义,不妨来考虑一下人类驯服野牛野马的过程。牛马等畜力为人类提供了充足而廉价的动力来源,极大地提升了人类的活动范围和耕作能力,让人类得到了更进一步的解放和发展。
而核聚变与牛马的不同就在于,一克核聚变燃料所能释放的能量,约等于一匹马不眠不休地工作14.5年所贡献的能量(马:求求你做个人吧!)。
因此,早日实现可控核聚变,获得“能量自由”的重要性,就不言而喻了。辛勤工作的科研工作者获得的重要成果来之不易,让我们期待人类早日实现“能量自由”吧!
到此,这篇标题为《如何测量一亿度的高温》的文章就结束了,如果还没回答你的疑问,你可以在底下相关文章中查找,或者在个性儿童网中搜索查看。
相关阅读
-
【辟谣】根据房间温度随时开关空调可以节省电量?
流言:夏天的时候,大家都喜欢坐在屋里吹空调,但是空调比较费电,如果先把空调打开,等房间里凉快后关掉,待热了再开,如此循环往复,可以大大缩短空调制冷的工作时间,节省电量。真相:频繁开关空调不但不会省电,反而更费电。最简单的空调也是由压缩机、换向阀、冷凝器、节流阀、蒸发器组
[db:短标题]0万+ -
为什么冰里加盐会使温度降低
炎炎夏日,手里拿着一个放着冰块的杯子,感觉非常凉爽,如果往冰里面放点盐,过会时间你会觉得温度更加低了,这是为什么呢?冰里加盐会使温度降低的主要原因是:冰和盐,在融化时,都会从周围吸取热量,也就是说,正是它们的这种吸热作用才使温度下降的。不管是食盐的溶解,还是冰块的融化,
[db:短标题]0万+ -
为什么城市里的温度要比近郊高
在城市里住的人,会有这么一种体验,那就是城区的温度,要比郊区高一些,那么,这是为什么呢?冷知识网给大家介绍下城市里的温度比近郊高的原因。最近几十年的研究结果表明,城市里的温度相对郊区要高得多,这就是人们常说的“城市热岛效应”。比如上海、纽约比近郊年平均温度要高1.1摄氏
[db:短标题]0万+ -
世界上最热的地方 达到80.0度
1913年7月10日,位于美国加利福尼亚州的死亡谷曾经达到地球上有史以来的最高气温记录,加州沙漠熔炉溪地区的温度达到了56.7°C(134.1°F)。在1922年9月13日利比亚的阿齐济亚,曾出现过摄氏57.8度的高温,而这是有气温记录以来的最高值。历史文章>&g
[db:短标题]0万+ -
布莫让星云—宇宙中最冷的地方
让我们共同当一次探秘专家,来寻找一下宇宙最冷的地方。南极——冬天的南极洲沃斯托克冰湖是地球自然界中最寒冷的地方,最低温度可达到零下54℃。南极洲的平均海拔为2500米,地球上平均海拔最高,稀薄的空气使其温度降得更低。极地涡流盘旋在南极洲大陆周围,使它无法与外界进行热交换
[db:短标题]2万+ -
太阳的温度正越来越高
可能大多数人都觉得,现在的夏天是越来越热了,难道是太阳变热了吗?太阳的温度也会改变吗?确实,太阳核心有越来越多燃烧剩下的氦,就像烧煤剩下煤灰,所以太阳的温度也越来越高。而多余的热量会从太阳释放出来,所以,太阳本身及其表面都在变得越来越热,越来越亮。据测量,太阳表面温度约
[db:短标题]3万+ -
太阳的温度是怎么测量出来的
太阳表面温度达到5500度,核心处可以达到1500万度,那么,太阳距离地球这么远,太阳的温度是如何测出来的呢?毕竟,那种温度和距离,都是人类和他们的仪器无法接近的。在地球上,每平方厘米的面积上,每分钟接受到的太阳辐射热量是1.95卡,太阳距离地球150000万公里,太阳
[db:短标题]0万+ -
为什么星星的颜色都不一样
无论是行星还是恒星都有其独特的色彩,而行星的颜色,可能取决于大气的浓度,比如大气稀薄的火星和水星,展现的是它们本身的颜色;而大气相对浓厚的金星、木星、土星、天王星和海王星,则是根据大气成分以及反射、吸收等效应,给它们带来五彩斑斓的色彩。恒星与行星不同,一些比较亮的恒星颜
[db:短标题]0万+ -
百货商店为什么叫“百货”而不是“千货”“万货”
现在的商店都以百货公司、百货商场称呼,是它们真的就只有百种货吗?为什么要这样叫呢?据说,这源自一个民间故事。在清朝年间,有一家杂货铺,生意兴隆,铺里的货物样样都有,掌柜便起了个“万货全”的字号。一日,乾隆皇帝南下私访,一见“万货全”的牌子,就想,这口气太大了。当下,乾隆
[db:短标题]0万+ -
冰箱和空调的原理一样吗
冰箱和空调这两种电器都有冷却的功能,一个冷却它的内部,一个冷却外部,其实它们的原理是一样的。从根本上说,这两种电器制冷的原理都是热传递。空调和冰箱内都安装有压缩机,为气态氟利昂增加压力,加压后的气态氟利昂温度很高,让它进入冷凝器降温,成为液态氟利昂;液态氟利昂进入蒸发器
[db:短标题]0万+ -
降半旗就是降到旗杆中间吗
降半旗是一个国家行为,一般是在某些重要人士逝世或重大不幸事件、严重自然灾害发生时来表达全国人民的哀思和悼念。其间全国各公开场合的国旗,驻国外的使、领馆的国旗均应下半旗志哀。按照国际惯例,降半旗,并不是将国旗降至旗杆的一半处,也不是直接把国旗升至旗杆的一半处,而是先将国旗
[db:短标题]0万+ -
美国历史上唯一的皇帝 总财产只有几美元
1859年10月,《旧金山快报》上发表了一封特别的“诏书”。一个名叫约书亚·诺顿的人,宣布自己成为美国和墨西哥的皇帝。他在诏书里这么说:“我,约书亚·诺顿,宣布成为美国和墨西哥的皇帝。”诏书的署名是“美国皇帝诺顿一世”。令人惊讶的是,第二天,这份荒唐的诏书就被富有幽默感
[db:短标题]0万+ -
为什么小孩子会喜欢吃鼻屎
很多小孩子都喜欢挖鼻屎,有的甚至挖了鼻屎后,还喜欢放在嘴里尝尝,虽然这个话题比较重口味,但确实是真实存在的,而且不在少数。那么,这是为什么呢?孩子们喜欢吃鼻屎的原因有许多。首先,他们还没有形成固定的社交与处事技巧,如果这些技巧已经形成,社会中的公序良俗自然会阻止他们这么
[db:短标题]0万+ -
什么是“蝴蝶效应”
1979年,混沌理论之父、美国气象学家爱德华•罗伦兹博士在华盛顿举行的美国科学促进会(AAAS)的演讲上提出了“蝴蝶效应”(The Butterfly Effect)这一概念,标志着这个科学效应的诞生。他通过计算机进行“天气预报”的模拟,发现如果将输入的数据进行微调,得
[db:短标题]0万+
热门文章
-
杨靖宇将军的英雄事迹
杨靖宇,本名马尚德。1905年生于河南确山县李湾村。1923年秋考入河南省立第一工业学校。受地下党员、进步老师的影响,积极投身“五卅”运动, 1926年加入中国共产主义青年团
杨靖宇烈士的故事2900万+ -
白雪公主和七个小矮人睡前故事完整版在线听
白雪公主与七个小矮人是迪士尼的经典儿童故事,也是很多人都听说过的故事。那么白雪公主与七个小矮人到底讲了什么呢?最后白雪公主和七个小矮人怎么样了呢?快来看看个性儿童网为大家准备的白雪公主和七个小矮人睡前故事完整版吧!
白雪公主和七个小矮人的故事2573万+ -
国际主义战士白求恩的故事
1938年1月,白求恩受加拿大共产党和美国共产党的派遣,率领一支医疗队,不远万里来到中国,支援中国人民的抗日战争
白求恩的故事1609万+ -
温馨感人的母子故事:无法停顿的母子亲情
2014年10月,郭敏参加了在北京举办的失独母亲联欢会。在这次聚会上,面对着来自天南海北的失独母亲,郭敏谈起了自己坎坷的过去。她那百
无法停顿的母子亲情1596万+ -
卫国戍边英雄团长祁发宝的光荣事迹
祁发宝,一个守卫边疆的战士,一个铁骨铮铮的汉子。在中印边界发生冲突中,为了捍卫国土,他身先士卒,身负重伤。这些事迹让全国人民都记住了这个令人敬佩的英雄团长
祁发宝的光荣事迹1247万+ -
世界上最早栽培稻、粟和黍的国家
中国。我国是世界上最早种植粟的国家之一,距今6000年前的半坡居民已种植粟、白菜、芥菜等农作物,住半地穴式房屋,已经饲养家畜,制作彩陶。
最早栽培稻、粟和黍的国家897万+ -
陈延年的英雄故事:碧血映红旗
1927年7月4日,敌人将陈延年秘密押赴刑场。面对敌人高高举起的屠刀,他昂首挺胸,傲然站立,视死如归
陈延年碧血映红旗的故事883万+ -
《拔萝卜》绘本故事完整
通过大家一起拔萝卜启发我们人多力量大同伴之间应该相互合作的道理。
拔萝卜的故事880万+ -
抗联八女投江的英雄故事
在黑龙江省牡丹江市,邻江耸立着一座八女投江纪念碑。人们永远不会忘记,在那艰苦残酷的抗日战争中,有八位年轻的抗联女战士,在这里悲壮殉国
八女投江的英雄故事868万+ -
迎接北京冬奥会手抄报图片及内容简单漂亮
今天小编分享一组迎接北京冬奥会手抄报图片及内容简单漂亮,喜欢的朋友,点住图片保存起来,以后老师布置小报作业,随时都可以拿出来欣赏借鉴。
北京冬奥手抄报805万+