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上亿度的超高温,是怎么测量出来的?

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魅力科学君 2021-07-28 12:01

对于我们人类而言,当气温超过30摄氏度时,就会感觉到热,假如气温超过40摄氏度,那就可以称得上是“高温”了。然而40摄氏度的温度在宇宙中却根本不算什么,一个典型的例子就是太阳,其表面温度就有5500摄氏度,核心的温度更是高达1500万摄氏度。

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太阳的温度已经很离谱了,而在我们人类的可控核聚变实验装置中,等离子体的温度还可以达到上亿摄氏度,居然比太阳核心的温度还要高很多。相信大家在感到自豪的同时,也会有一点疑惑,等离子体上亿度的超高温是怎么测量出来的?什么仪器能测量如此高的温度呢?

测量温度到底是在测量什么?

从我们的直观感受的角度来看,温度就是指物体的冷热程度,但这只是温度给我们造成一种宏观层面的表面现象。

从微观层面来看,任何我们能够看到(或感受到)的物体,都是由数量庞大的微观粒子构成,这些微观粒子一直都在做随机的运动,这被称为“热运动”。

一个物体的温度高低,其实就是构成该物体的微观粒子在整体上的热运动的激烈程度,具体表现为热运动越激烈,温度就越高,反之亦然。比如说我们感觉到一杯水的温度比较高,其实就是这杯水中的水分子热运动相对比较激烈。

由此可见,从本质上讲,测量一个物体的温度,其实就是测量构成该物体的所有微观粒子的热运动的整体速度。

上亿度的超高温,是怎么测量出来的呢?

上亿度的超高温是任何材料都无法承受的,用仪器对其进行直接测量根本就不可行,而由于同样的原因,可控核聚变实验装置也无法直接容纳超高温的等离子体。

从本质上讲,等离子体其实就是一大堆带负电荷的电子和带正电荷的离子,既然带电,就会受到磁场的影响,因此可控核聚变实验装置采用的是,用强大的磁场来约束高温等离子体,当其运行起来,大概就是下图这个样子。

可以看到,在强大磁场的作用下,等离子体会在实验装置中高速旋转。当电子在做这样的高速旋转运动时,就会造成磁场出现一种波动,而这种波动其实就是一种电磁波。

这种电磁波的频率与电子的热运动速度密切相关,热运动速度越快,其频率就越高,因此科学家只需要利用仪器测量出这种电磁波的频率,就能够计算出电子的热运动速度,进而计算出等离子体的温度。

科学家还会利用“激光测速仪”来测量电子的热运动速度。如果向高温等离子体发射一束激光,那么当激光在等离子体中传播时,就会激起其中一些电子做受迫振动,进而发射出次级电磁辐射,从而形成一种散射波,这被称为“汤姆逊散射”。

在电子热运动的影响下,观测到的散射波的频率会发生一些细微的变化,在电子向观察者接近时,观察者观测到的光波频率会变高,反之则变低,这被称为“多普勒效应”,因此科学家就可以利用仪器测量出这种变化的数值,然后再计算出电子的热运动速度,最终计算出等离子体的温度。

看到这里可能有人会问了,以上只是测量了等离子体内的电子热运动速度,那离子呢?实际上,直接测量可控核聚变实验装置中用于聚变的离子的热运动速度是不现实的,尽管如此,科学家还是想到了一种办法。

在启动可控核聚变实验装置之前,科学家通常会在核聚变原料中加入一些耐高温、且不会影响核聚变的化学元素,最常用的就是钨。

在上亿度的超高温中,钨离子依然能够束缚住一些电子,而这些被束缚的电子则会发射出X射线,而由于热运动的存在,这些X射线也会产生“多普勒效应”,接下来,科学家要做的事情就有上述的“激光测速仪”一样了。

需要注意的是,在测量上亿度的超高温时,上述测量方法都可能会出现一定的偏差,因此科学家通常不会只用其中的一种,而是多种方法同时使用,这样测量出来的温度就要准确得多了。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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