现代物理知识
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2023年 35卷 2期 刊出日期 2023-04-25
物理知识
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物理知识
3
原子核碰撞的过程——核反应
Hot!
靳根明
前面介绍了原子核的结构和性质，那么它的内部结构和性质是如何知道的呢？老话说得好，要知道核桃仁的样子，就要把核桃敲开，仔细查看。所以，要知道原子核的内部结构，就要把原子核敲开。原子核是非常小的，其尺寸大约只有10
-14
米，一般榔头打不着。原子核还非常结实，比如，要把一个铁-56原子核打散，就需要用大约8 MeV×56的能量。因此，只有用高速运动的原子核去撞击一个原子核了。国际上第一位对原子核研究进行变革的人是卢瑟福，1909年他利用放射性原子核
210
Po发射的α粒子轰击非常薄的金箔，发现了原子核。后来，在1919年，卢瑟福又利用α粒子轰击纯的氮气，不仅发现了质子，还产生了氧同位素
17
O，核反应式是
14
N+α →
17
O+质子。当然，
17
O的鉴别还是布兰克特在1925年完成的。1932年，查德威克利用
9
Be (α,n)
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C反应，不仅变革了原子核，还发现了中子。近百年来，核物理学家利用不同能量的各种原子核轰击其他原子核，不仅深入研究了原子核的结构和性质，而且，还在实验室中合成和研究了近3200种新核素，发现了20多种新元素。
2023 Vol. 35 (2): 3-14 [
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15
天体物理与诺贝尔奖
陆埮
天体物理学是天文学的一个分支。事实上，天文学和物理学是两个密切相关的学科。万有引力定律是物理学中的一个基本定律，但这个定律正是牛顿通过研究开普勒(Kepler J.)对太阳系行星轨道运动的天文观测所总结出来的三定律而发现的。其实，可以说整个经典力学的发展也与行星绕太阳运动和月球绕地球运动的天文观测密不可分。由此发展出来的“天体力学”已经成为经典力学中最成熟，最系统的一个样板。400年前伽利略首次利用望远镜观测天体，使天文学牢牢地建立在科学观测的基础上，成长为一门日益精确的科学。20世纪物理学中蓬勃发展起来的光谱学与望远镜结合进行天文观测，使深入研究天体的物质组分、内部结构与演化成为可能，从而在天文学科内形成了内容十分丰富、发展非常迅速的分支学科——天体物理。
2023 Vol. 35 (2): 15-22 [
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23
新视角下的空间探测意义浅谈
刘文东, 张雨琮, 端木新亚, 徐桂灵, 韩婷苇, 谭小易, 张璐璐, 魏勇, 王誉棋
1970年，赞比亚修女Mary Jucanda给ErnstStuhlinger博士写了一封信，信中问道：目前地球上还有那么多小孩子连饭都吃不到，他怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。Ernst Stuhlinger很快给Mary Jucanda回了一封信，并附上了一张题为“升起的地球的照片”。他这封信随后由NASA以《为什么要探索宇宙》发表。为什么要探索宇宙？自人类诞生始，对宇宙的探索就从未中断过。中国古代就有钦天监专门掌管观察天象，在古代西方，神也总是与星空联系在一起，一直到近现代，摆脱了愚昧的“神学”束缚，科学技术不断发展，我们才开始了真正的空间探测。空间探测指的是对地球高层大气和外层空间所进行的探测，这是人类正在进行的一场空前的伟大事业，实现了人类探索自然的旅程从“仰望星空”到“触摸星空”的历史性转变。
2023 Vol. 35 (2): 23-28 [
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29
单向旋转的陀螺
王珍妮
Kenneth Brecher利用数学常数设计了旋转陀螺，其中运用了费恩海姆常数(Feigenbaum constant)，它能产生一个具有优先旋转方向的陀螺。
2023 Vol. 35 (2): 29-30 [
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科苑快讯
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科学家发现有四类行星系统
高凌云
太阳系中的一切井然有序，如金星、地球或火星，轨道相对靠近恒星。另一方面，大型气体和冰巨星，如木星、土星或海王星，在太阳周围的大轨道上运行。在科学期刊《天王星与天体物理学》(
Astronomy&Astrophysics
)上发表的两项研究中，来自瑞士伯尔尼大学(Universities of Bern)和日内瓦大学(Universitiesof Geneva)以及国家行星研究中心(National Centre ofCompetence in Research，NCCR)的研究人员表明，我们的行星系统在这方面是非常独特的。
2023 Vol. 35 (2): 28-28 [
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30
物理学家解开准晶体形成之谜
高凌云
在高温下，加入钡后，二维氧化钛的结构会分解，形成4个、7个和10个原子的环，而不是典型的六边形。这种原子的非周期性排列是由德国哈雷威滕伯格大学(Martin Luther University Halle-Wittenberg)、法国格勒诺布尔大学马克斯·普朗克微结构物理研究所(Max PlanckInstitute for Microstructure Physics，Université GrenobleAlpes)和美国盖瑟斯堡国家标准与技术研究所(NationalInstitute of Standards and Technology in Gaithersburg,USA)的研究人员，合作发现的。他们的研究解决了由金属氧化物形成二维准晶体的谜团，并于最近发表在《自然通讯》(
Nature Communications
)期刊上。
2023 Vol. 35 (2): 30-30 [
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36
美国宇航局发现一对拥有1000英里深海洋的超级地球
高凌云
美国宇航局(NASA)的哈勃(Hubble)和斯皮策(Spitzer)太空望远镜发现了两颗主要由水组成的超级地球。不同于太阳系中已发现的任何行星，他们是真正的“水世界”。
2023 Vol. 35 (2): 36-36 [
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41
废弃塑料有望化身燃料
高凌云
虽然废弃塑料中含有潜在有用的原材料，但是回收塑料制品远比制造它们要昂贵。现在，由美国能源部太平洋西北国家实验室(Department of Energy’s PacificNorthwest National Laboratory)领导的一个国际研究小组，破解了之前阻碍分解这些难降解塑料的密码。
2023 Vol. 35 (2): 41-41 [
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71
人造皮肤的超级传感能力竟然优于人类皮肤
高凌云
人造皮肤，也被称为合成皮肤，是一种人造材料，旨在模仿人类皮肤的特性和功能。它有各种用途，包括伤口愈合、美容手术和皮肤研究。
2023 Vol. 35 (2): 71-71 [
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72
迷幻体验如何改善焦虑和抑郁者的心理健康
高凌云
根据最新的研究，神秘和深刻的迷幻药物体验可能与焦虑和抑郁症状的持久减轻有关。这项研究首次描述了主观迷幻体验的亚型，并将它们与心理健康结果联系起来。这项研究最近发表在《情感障碍杂志》(
Journal of Affective Disorders
)网络版上。
2023 Vol. 35 (2): 72-72 [
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科技经纬
31
浅述缪子科学与技术
Hot!
钟嘉豪, 唐健
目前科学家给组成物质世界的基本粒子分类，缪子(μ)、电子(e)和陶子(τ)同属于带电的轻子。电子与我们生活最贴切，通电导线里的电流，“流动”的就是电子，如图1所示。
2023 Vol. 35 (2): 31-36 [
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中学园地
37
粒子是永恒的吗——μ子寿命测量
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张笑鹏, 刘佳
朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，花草树木、虫鱼鸟兽，甚至地球、太阳、恒星以至宇宙都要经历诞生和死亡，生老病死似乎是我们这个世界的一条基本规则。那么，组成物质世界的微观粒子，也有寿命的概念吗？随着对微观世界认识的加深，人们发现，粒子不仅有寿命，而且不同粒子之间的寿命相差还极大，有些只有不到万亿分之一秒，有些却比宇宙的寿命还要长。微观粒子的寿命与物理学基础理论密切相关，是粒子物理学家十分关心的物理量。测量粒子的寿命并不是一件遥不可及的事情，我们利用“校园宇宙线”实验课程的探测器，就可测出μ子的寿命。
2023 Vol. 35 (2): 37-41 [
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42
水桶中的宇宙线
Hot!
徐吉磊, 刘金艳, 高崴
在我们“真空”的宇宙中，时刻在飞行着各种高能粒子(各种原子核、电子、伽马光子等)，我们称之为原初宇宙线。通过“重走宇宙线发现之旅”系列课程《宇宙线发现之旅”》《有多少宇宙线穿过我们的身体》《电离之谜》，我们已经知道，当它们飞向我们的地球时，在高空会与地球大气的氮、氧等原子核碰撞，产生很多次级粒子，次级粒子再碰撞产生更多的次级粒子，这一过程叫广延大气簇射。这些次级粒子中短寿命的如π、K介子等很快衰变，γ光子和电子也很快将能量损失殆尽，在到达人类生活的海平面高度的时候，宇宙线次级粒子的主要成分就变成了寿命相对长、能量损失小的缪子(μ子)。
2023 Vol. 35 (2): 42-47 [
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光线追踪和纠缠光的产生——2021年亚洲物理奥林匹克竞赛理论第二题
房颐, 宋峰
有用的公式：$\mathop A\limits^ \to \times (\mathop B\limits^ \to \times \mathop C\limits^ \to ) = (\mathop A\limits^ \to \bullet \mathop C\limits^ \to )\mathop B\limits^ \to - (\mathop A\limits^ \to \bullet \mathop B\limits^ \to )\mathop C\limits^ \to$
2023 Vol. 35 (2): 48-51 [
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2021年亚赛理论第一题“水锤效应”的解答
陈仓佚, 吴波, 宋峰
2021年亚洲物理奥林匹克竞赛理论第一题以水锤效应(或水击现象)为背景求解不同情境下压力管道中液体压强和流速的变化，本文在参考答案的基础上对该题进行详细分析与解答。
2023 Vol. 35 (2): 52-57 [
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振荡中的中微子——中微子混合矩阵的提出与验证
刘金岩
中微子是联系微观物质世界和宏观宇宙的桥梁，对人类理解物质基本组成及宇宙起源和演化至关重要。1956年，科温(C.Cowan)和莱因斯(F.Reines)等首次直接探测到了反应堆电子反中微子。1962年，布鲁克海文实验室发现μ中微子。日本物理学家立即提出描述中微子振荡的混合矩阵，即MNS混合矩阵。此前，苏联物理学家庞蒂科夫(B.Pontecorvo)也提出中微子混合和振荡概念。中微子振荡随后成为粒子物理领域的研究热点，也是探索超出粒子物理标准模型的重要途径。本文旨在回顾中微子概念的提出历史，介绍庞蒂科夫和日本物理学家构建中微子混合矩阵的发展过程，并简要评述后续理论和实验发展。
2023 Vol. 35 (2): 58-67 [
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科学书屋
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推荐玻恩自传的第101个理由——《我的一生：马克斯·玻恩自述》
姬扬
马克斯·玻恩(1882.12.11~1970.1.5)是世界著名的理论物理学家，在量子力学、晶格动力学乃至化学等领域都作出过重要的贡献，并因为对波函数的统计解释获得了诺贝尔物理学奖。《我的一生：马克斯·玻恩自述》是他的自传，不仅记录了他的求学和治学的经历，反映了20世纪上半叶物理学的发展进程，还再现了世界大战给欧洲带来的巨大变化，强烈谴责了战争和纳粹的暴行。在这本书里，玻恩还坦率地表达了自己对很多人物和事件(包括著名科学家和政治事件)的看法，读者可以由此了解他丰富的人生经历和心路历程。
2023 Vol. 35 (2): 68-71 [
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