1.2亿度高温的测量方法:不建测温仪,反而建造粒子测速仪

前不久我国的人造太阳装置EAST实现了101秒、1.2亿摄氏度高温等离子体的维持,这是一项了不起的记录(www.ydtp.net)。但同时也有让人疑惑,这1.2亿摄氏度是怎么测出来的?要是用水银温度计来测量,那得多长啊?

大家要明白,到了1.2摄氏度这个量级,普通的测温方法已经失效了。并且单一的测量方式也不能保证准确,需要多种新技术方式来测量等离子体的温度!在此之前,我们要先明白温度究竟是什么?

温度

从宏观上来说,温度就是反应物质冷热的表达方式,比如温度低了,我们会觉得冷,温度高了我们会觉得热,不过这是比较片面的。要了解温度的本质,需要从微观粒子入手。

随着近代物理学的发展,观察微观粒子的身影不再是触不可及的事情。2020年6月3日,《自然》杂志发表了一篇论文,表示科学家们通过冷冻电镜技术,成功观察到了单个原子的身影。这是革命性的创举,也为微观粒子观察提供了新的技术手段。

在微观粒子层面,物理学家们发现,物质都是由小微粒组成的,同时这些小微粒都在不停地做无规则运动。微观粒子的运动速度越快,温度也就越高,反之,微粒运动的速度越慢,物体越冷。

当然,这是指物体所有的分子运动平均速度,并不是指特定的单独的单个粒子运动速度。

说到这里相信大家也应该明白了,宇宙中可以存在上百亿度的高温,只要让物质体内的粒子运动速度加快就行。而温度是不可能无限降低的 。最低的温度,就是粒子停止运动时的温度——绝对零度,这个数值一般是

-273.15°C。

理解了温度的定义,我们就能够去测量温度了。

测温手段

大多数物体加热之后,组成粒子的无规则运动速度会加快,粒子活动的空间就会变大,于是出现了物理学中的“热胀冷缩”现象。通过这个现象,我们就可以制造出测量温度的工具。

水银测温计就是典型的代表,不过这种方法也有局限,水银不能一直膨胀吧?就算能膨胀,那承载水银的器具也不能承受几千度的高温吧。再说了,水银温度计测温,所测温度越高,所需尺度也就越长,所以水银测温器只能测量100℃左右的温度。

物体温度的改变,除了会引起热胀冷缩的现象之外,还会引起其它的一些现象。比如发热物体会产生不同的红外线,这就是我们现在测温枪的原理。

当然,在锻造钢铁时,就不太适合这种红外线这种方式了,干扰因素太大。于是出现了另外一种测温方式——热电偶。其具体原理是,当物体受热时,其内部的一些电子就会获得足够的能量,然后跑到“冷端”(另一端是受热端)。

不同的金属受热逃逸的电子数量不同,在冷端分布的电子数量也就不同,此时在通过测量冷端两侧的电压,就可以得到受热端的温度了。这种方法一般运用在工业测温上,能测出较高的温度,不过也是有极限的,少数情况下能测1000℃的高温。

但这远远达不到1.2亿℃高温测量的门槛,想要测出这种高温,就只能另想办法了。

1.2亿高温的测量

直接测量1.2亿℃高温物体显然是不现实的,所以需要依靠温度最原始的理论来进行测温,物质中微粒运动速度的快慢,直接体现在物质的温度上。

而人造太阳发热的物体,是等离子体,具体点就是电子和离子。简单点来说,测量等离子体的温度,就是测量电子和离子的速度。我们要造的不是温度仪,而是粒子测速仪。

下面介绍一种大家能懂得的微观粒子测速,它的原理和交警使用的测速仪原理一样,依靠多普勒效应测量。

这种方法是通过向等离子体发射一束激光,激光和运动的电子发生相互作用,就会产生该激光的散射。通过接收散射出来的激光,与射入激光对比,找出因电子本身运动速度影响的频率,就能通过测算,就能得到电子的速度,进而得到物质的温度。

总结

当然,多普勒效应测量的温度并不一定是准确的,还需要其它多种测温方法共同得出结论。这是出于对科学的严谨性考虑的,也是最有效的方法之一。

除了这种方法测量1.2亿℃高温外,大家还知道哪些测高温方法?可以在评论区留言,一起交流哦!

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