现代物理知识
 
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2011年 23卷 4期 刊出日期 2011-08-18
物理知识
物理前沿
科苑快讯
核电技术专题
教学参考
科学源流
物理知识
3 物质的形态 Hot!
曹则贤
一、导言
我们生活在一个丰富多彩的物质世界中，对物质现象的理解是物理学的根本目的。传统的物质状态指的是气体、液体和固体三种状态，因为人类，当然包括所有的生命，发生的基本前提是水的存在，水的三态早为人类所熟悉。大致说来，传统的固液气三态是依据物质中分子(对一些物质来说是原子)之间空间关系的不同来划分的。固体中的分子之间有固定的空间关系，固体有维持其体积和形状的能力；液体中的分子有一定的短程序，液体有固定的体积，却不能保持其形状； 气体分子间作用力很弱，气体总是充满空间。换个角度思考，传统物质可以根据其中组成单元之间的特征距离xij同距离的变化δij 之间的比较来定义。对于气体， 不管分子间距多大，分子的活动空间由限制它的容器的尺寸L 决定，δij≡L；对于固体，则有δij～0，这也是研究固体的力学性质时可以当作弹性体处理的原因。物质第四态等离子体，虽然在自然界中大量存在，如太阳的一些部分、闪电引起的气体放电等，但人们并不知道。人类最早认识到的等离子体是在实验室人工实现的。其实，物质的形态远比这所谓的四态要复杂，宇宙形成初期的物质状态：一些星体内部的物质，烟、雾、泡沫与泥沙等胶体物质，反物质与暗物质等，都无法纳入固液气加等离子体式的物质状态划分，更不用说生命这种能够自修复、自复制的神奇物质体系。本文拟就物质的形态作一个尽可能全面的，因而难免是浮光掠影式的介绍，希望能带给读者关于物质形态的一个粗略轮廓，激发起读者研究物质形态的兴趣。物质世界比我们能想象的要复杂得多，有趣得多，认识物质的形态和形态间的转变为物理学的研究和学习提供了一个非常自然的角度。
2011 Vol. 23 (4): 3-12 [摘要] ( 3552 ) [HTML 1KB] [PDF 777KB] ( 2494 )
13 漫谈雷电 Hot!
郭昌明
自古以来，人类就熟悉雷电现象。大多数人通过自己的眼睛和耳朵感受到了雷电的光和声，也有人经历过一些相关的灾难。古代的人们还用雷公电母称之，以示敬畏。
人们知道雷电可以致人畜伤亡，电力和电子设施损坏，飞机毁损，矿山引爆，建筑物焚毁，甚至引起像若干年前国内黄岛油库、大兴安岭森林大火那样的极端灾害事件。全球每年大约有千余人遭雷击死亡，还有至少上百亿美元的直接经济损失。几百年来，人们对于防雷的探索没有中断过，但迄今也没能消灭雷害。“国际减灾十年”仍然把雷害列为主要的气象灾害之一。
2011 Vol. 23 (4): 13-17 [摘要] ( 2025 ) [HTML 1KB] [PDF 481KB] ( 1667 )
18 太阳的故事——光子大逃亡
卢昌海
在前面几期中，我们介绍了发生在太阳核心区里的太阳能量产生机制。这一机制不仅在理论上可行，而且经过对太阳中微子的细心探测，以及对太阳中微子问题的艰辛求解，在观测上也得到了很漂亮的确立。从某种意义上讲，隐藏在太阳最深处的那个最远离经验的“恐怖核心”，反而可以说是成为了整个太阳结构中被我们了解得最可靠的部分。
如果说迄今为止我们的太阳故事所展现的大都是太阳研究中的坚实大地——那些被观测或实验牢牢确立了的事实或理论——的话，那么从本节开始，我们将会更多地去欣赏太阳研究中的绚烂天空——那些尚在云端里的谜团。我们将会看到，那样的谜团简直是层出不穷，而且在绝大多数谜团面前，我们再也没有像解决太阳能量产生机制或太阳中微子问题那样的好运气了，因为那些谜团中的绝大多数直到今天依然是未解之谜。当然，这本身未尝就不是一种好运气，尤其是对于正在从事或有志于从事太阳研究的人来说更是如此，因为生在一个有许多未解之谜可以探索的时代里，要远比生活在一个只能在“小数点后第六位数字”上做文章的时代幸运得多。
2011 Vol. 23 (4): 18-22 [摘要] ( 2080 ) [HTML 1KB] [PDF 578KB] ( 209 )
23 气体粒子探测器回顾
谢一冈
辐射粒子探测器是粒子物理、核物理、放射性测量等领域研究的重要手段，且广泛应用于国民经济和国防等多种领域。气体、闪烁和半导体探测器是近几十年来先后发展起来的三类主要探测器。20 世纪70 年代末，欧洲核子研究中心(CERN)的夏帕克(G. Charpak)因发明了多丝正比室获得了1992 年诺贝尔物理学奖，促使气体探测器得到了充分发展，在高能物理等领域中起到了重要作用，其他两类探测器也得到飞速发展。本文将对历史上的气体探测器进行简单回顾。
2011 Vol. 23 (4): 23-28 [摘要] ( 2023 ) [HTML 1KB] [PDF 805KB] ( 224 )
物理前沿
28 WIMPs 暗物质 Hot!
李明哲, 毕效军, 张新民
暗物质是21 世纪宇宙学和粒子物理研究的热点问题。WIMPs 是一种流行的暗物质粒子候选者，即weakly interacting massive particles 的缩写，译为“弱作用重粒子”。目前我国计划中的暗物质粒子探测实验项目都是围绕着WIMPs 暗物质开展的。本文将详细地阐述与WIMPs 暗物质相关的基本问题，并力图澄清一些易于误解的概念。
2011 Vol. 23 (4): 28-32 [摘要] ( 2135 ) [HTML 1KB] [PDF 573KB] ( 2385 )
33 银河宇宙线起源、加速和传播问题的一些研究进展 Hot!
胡红波
宇宙线研究在我国已经走过了半个多世纪，从20 世纪50 年代建于云南落雪山海拔约3180 米的观测站，到文革后建于西藏甘巴拉山海拔近5400 米的高山乳胶实验观测站，再到1990 年建成的位于海拔4270 米的羊八井国际宇宙线观测站，我国研究人员为揭示宇宙线的奥秘进行了不懈的努力，作出了重要的贡献。本文，结合国外相关研究，介绍我国在银河宇宙线起源、加速和传播问题的研究方面所取得的一些新进展。
2011 Vol. 23 (4): 33-38 [摘要] ( 2043 ) [HTML 1KB] [PDF 738KB] ( 2330 )
39 寻找宇宙中的生命宜居星球
李良
所谓“生命宜居星球”，指的是某颗行星处于距离该行星系的中心恒星远近合适的区域，在这一区域中，由于恒星传递给行星的热量适中，行星上既不太热也不太冷，且能够确保存在液态水，水是出现生命的关键因素。
2011 Vol. 23 (4): 39-43 [摘要] ( 2149 ) [HTML 1KB] [PDF 705KB] ( 260 )
科苑快讯
38 人类语言出自非洲
高凌云
人类基因和表型的多样性呈现距离非洲越远则越少的趋势。奥克兰大学的阿特金森(Quentin Atkinson)发现在现代语言中，距离非洲越远地区的语素(语言的最小单位)也越少。含有最多音素的方言存在于非洲所说的语言之中，而所含音素最少的口语则存在于南美洲和太平洋的热带岛屿(如图)。通过《语言结构的世界地图》(World Atlas of Language Structures)中504 种语言的数据，他发现所有语言都出自非洲。5 万～7 万年前人类大批走出非洲，带走部分音素。这与非洲考古学发现也是相吻合的。
世界各地的这种音素使用的模式反映了人类基因的多样性模式，因为基因多样性也随人类活动范围从非洲向外扩张而衰减。一般而言，地球上的那些最近才有人居住区域的地方语言中所含的音素较少，而那些容留人类生活数千年之久的区域(特别是撒哈拉以南的非洲)仍然有着最多的音素。这一音素使用的衰减无法通过人口的移动或其他地区性的因素来解释，它强有力地证明了现代人语言起源于非洲。
2011 Vol. 23 (4): 38-38 [摘要] ( 1903 ) [HTML 1KB] [PDF 540KB] ( 104 )
51 海水-淡水电池
何景棠
一种新型的基于盐水和淡水的熵不同的电池，可能是巨大的可再生能源。斯坦福大学的崔义(Yi Cui，译音)与他的同事用钠锰氧化物(Sodium Manganese Oxide)的纳米棒电极(能有选择地吸收和释放钠离子)及银电极(能有选择地吸收和释放氯化物离子)，把电极放在淡水中，电极就充电，然后，把电极放在海水中，电能就释放出来。
无限次重复这个过程，每一次循环都有一点能量增益，效率高达74%。这样的电池可以从淡水和海水自然混合的地方，产生全球能量消费量的13% 的电能。
2011 Vol. 23 (4): 51-51 [摘要] ( 2715 ) [HTML 1KB] [PDF 689KB] ( 50 )
51 土卫二上有生命吗
高凌云
土卫二表面不断喷射出冰与水蒸气的混合物，这些羽状喷泉使土卫二成为太阳系中最活跃的地方。随着对这些物质的持续研究，研究者认为土星的这个冰冻卫星将是最有希望找到地外生命的星球，他们在5 月的学术会议和6 月22 日的《自然》(Nature)杂志上做了报告。
卡西尼号探测器对这些羽状喷泉做了取样分析，揭示了土卫二坚硬的冰层下面存在一片海洋或是蕴含大量水的裂缝。卡西尼飞越了这些羽状喷泉的中心地带，发现其中99%的冰晶颗粒是富含盐分的，说明它们来自土卫二表面下一些地方的咸水。这些直接证据将催生新的太空探测计划，揭开土卫二的神秘面纱。
2011 Vol. 23 (4): 51-51 [摘要] ( 1917 ) [HTML 1KB] [PDF 689KB] ( 118 )
56 酒引发超导电性
何景棠
在谈论酗酒时，酒常常与物理学有关。但现在酒似乎对某些超导体有直接作用。日本筑波的国家材料科学研究所的Keita Deguchi 与他的同事表明，热的酒精饮料对硫化碲铁(Iron Tellurium Sulphide)材料能引发超导电性。
啤酒，传统的日本的低度和高度米酒，威士忌酒和白葡萄酒都有效应，但用红葡萄酒加热24 小时，获得最好的效果。有关的机制尚不得而知。也许，酒对材料提供了氧原子，但纯的乙醇与水的混合以及普通饮料则不起作用。把材料曝露在空气中几个月，也有效应。这与酒精饮料处理材料十分不同。由于今年是超导电性发现100 周年纪念，所以，值得用香槟酒作进一步研究。
2011 Vol. 23 (4): 56-56 [摘要] ( 3666 ) [HTML 1KB] [PDF 402KB] ( 158 )
核电技术专题
44 加强ADS 技术研究促进核能大规模可持续发展 Hot!
夏海鸿, 罗璋琳, 赵志祥
一、引言
1. 核能在低碳能源政策中的重要作用
2000 年，全世界60 亿人口消耗了100 亿吨标准煤；2006 年，65 亿人口消耗了117 亿吨标准煤。预计到2050 年，世界能源消耗将比2000 年增加一倍。为了应对世界能源消耗的快速增长和温室气体减排的巨大压力，保证能源供应的安全，许多国家和地区都提出了低碳能源政策。煤电及核电是24小时全天候供电的主要基础。核裂变能是重要的低碳能源，正在为全世界提供大约17%的电力。核能对温室气体减排的重要性不容置疑。
我国的核电事业正在进入快速发展期。核电发展的中期目标从原计划2020 年核电总装机容量达到4000 万千瓦增加到7000 万千瓦。根据对国家中长期能源发展形势和前景的分析，在中国工程院的咨询报告《2050 年我国的能源需求》中指出，我国的核电占一次能源总量的比重要求提高到2050 年的12.5%(占电力装机容量的20%)。
2011 Vol. 23 (4): 44-51 [摘要] ( 3317 ) [HTML 1KB] [PDF 786KB] ( 2297 )
52 正确认识核与辐射
周启甫
2011 年3 月11 日14 时46 分(北京时间13 时46 分)，日本本州东海岸附近海域发生了里氏9.0 级地震，并在随后引发强烈的海啸，使日本东北部沿海地区遭受巨大的破坏：大量房屋受损，化工厂起火，等等。3 月12 日福岛第一核电站一号机组一声爆炸，使全世界的目光几乎都集中在日本核电站的安全，笼罩在核泄漏影响的恐怖之中。一时间，各种媒体长时间聚焦在福岛第一核电站狭小的区域。随着事态的不断发展，人们通过各种途径了解有关核与辐射的应用、辐射危害和辐射防护等方面的知识。本文试图通过对电离辐射的发现和应用、电离辐射的生物效应和辐射防护的基本原理等方面的介绍，使人们能够准确地认识电离辐射。
2011 Vol. 23 (4): 52-56 [摘要] ( 2199 ) [HTML 1KB] [PDF 837KB] ( 206 )
教学参考
57 《2010 年清华五所高校自主招生〈物理试题〉赏析》中的疑点
李常明
贵刊22 卷第5 期(总131 期)刊载了程嗣、程首宪两位老师的《赏析自主招生试题 快速提高解题能力——2010 年清华五所高校自主招生《物理试题》赏析》一文，笔者认为第7 题的答案没有问题，但是其解答过程值得商榷，下面将原解与新解分述如下，以供大家参考，不妥之处请同行斧正。
2011 Vol. 23 (4): 57-57 [摘要] ( 1905 ) [HTML 1KB] [PDF 684KB] ( 92 )
科学源流
58 1969 年7 月20 日：人类第一次登陆月球
萧如珀, 杨信男
自20 世纪50 年代苏联发射全球第一枚人造卫星史泼尼克号(Sputnik)起，美国就一直对太空情有独钟。1961 年5 月，肯尼迪总统宣布要接受挑战，并公开保证要在20 世纪60 年代结束前让人类登陆月球，此举抓住了美国国人的共同想象力，激发他们支持雄心勃勃的阿波罗月球登陆计划，终于在1969 年达成了肯尼迪当年的愿景：人类第一次登陆月球。
2011 Vol. 23 (4): 58-59 [摘要] ( 1744 ) [HTML 1KB] [PDF 616KB] ( 105 )
60 1774 年8 月：普里斯特利分离出一种新“气体”导致氧的发现
萧如珀, 杨信男
1733 年，普里斯特利(JosephPriestley)出生于英国利兹附近的小镇，是家中6 个小孩中的老大，父亲是一位服装师，母亲则出身当地的农家。普里斯特利9 岁时，母亲去世，他的姑姑收养了他，因此接触到一群不严格遵循英国国教教义的“非国教徒”在神学和政治上的讨论，他们常因其非正统的信仰而遭歧视。
普里斯特利在当地的学校就读，但他在青少年时期一度感染了肺结核，而被迫休学。他在学校学习了希腊语、拉丁语和一点希伯来语，还自学了法语、意大利语、德语、迦勒底语、叙利亚语和阿拉伯语，以及基本几何和代数。他一康复后，立刻至达芬特里学院(译者注：Daventry Academy，异教徒学院)就读，立志要当神职人员，而他也在这里首度对自然和实验哲学产生了兴趣。
2011 Vol. 23 (4): 60-61 [摘要] ( 1882 ) [HTML 1KB] [PDF 528KB] ( 37 )
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