人類(lèi)的一大步跳躍

石　峰　趙興旺

北京時(shí)間2008年9月１０日１５時(shí)３8分，科學(xué)史上一項(xiàng)偉大的實(shí)驗(yàn)在位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心啟動(dòng)，它就是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LargeHadronCollider，簡(jiǎn)稱“LHC”）實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家用“質(zhì)子束的一小段行進(jìn)，人類(lèi)的一大步跳躍”高度評(píng)價(jià)它的意義。

這座超大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不僅是世界上最大的粒子加速器，同時(shí)也是世界上最大的機(jī)器。它位于瑞士、法國(guó)邊境地區(qū)的地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長(zhǎng)26.659公里，建設(shè)耗資超過(guò)60億美元。有來(lái)自數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)的2千多名物理學(xué)家及工程師參與了這一項(xiàng)目。其中我國(guó)中科院高能物理所研究員陳國(guó)明及其同事以及北京大學(xué)等近10所中國(guó)科研院所和高校的科研人員都參與了最核心研究——對(duì)“希格斯玻色子”的尋找。

素材觀察

北京時(shí)間2008年9月10日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，世界上體積最大的粒子對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)順利完成第一項(xiàng)重要測(cè)試。10日，科學(xué)家將一個(gè)質(zhì)子束導(dǎo)入17英里(27公里)長(zhǎng)的隧道并讓其運(yùn)行整條隧道長(zhǎng)度，測(cè)試取得成功?？茖W(xué)家認(rèn)為，測(cè)試的成功為了解宇宙結(jié)構(gòu)邁出了重要的一步。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午2008年10點(diǎn)36分(北京時(shí)間2008年16點(diǎn)36分)，在經(jīng)過(guò)一系列試運(yùn)行之后，計(jì)算機(jī)屏幕上最終亮起兩個(gè)白點(diǎn)，說(shuō)明質(zhì)子完成了運(yùn)行耗資38億美元的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)整個(gè)長(zhǎng)度的旅程。此時(shí)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人琳恩?埃文斯(Lyn Evans)只說(shuō)了一句話——“到了?！?/p>

原創(chuàng)試題

一、關(guān)于粒子之間的作用力

1． 2008年9月10日歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)順利啟動(dòng)，其中一項(xiàng)重要任務(wù)是幫助科學(xué)家尋找標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子——希格斯玻色子。 標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了宇宙中所有的６２種基本粒子，并描述了支配其交互作用的法則，夸克即是其中之一。1995年3月2日，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室向全世界宣布，他們證實(shí)了頂夸克的存在。已知質(zhì)子、中子都是由上夸克和下夸克兩種夸克組成的，上夸克帶電為e，下夸克帶電為-e，e為電子所帶電量的大小，如果質(zhì)子是由三個(gè)夸克組成的，且各個(gè)夸克之間的距離都為l，l=1.5×10-15 m，試計(jì)算質(zhì)子內(nèi)相鄰兩個(gè)夸克之間的靜電力（庫(kù)侖力）。

二、模擬“宇宙大爆炸”

2． 2009年下半年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)“開(kāi)足馬力”后，能把數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的粒子加速至將近每秒鐘３０萬(wàn)公里，相當(dāng)于光速的９９．９９％。這些接近光速的粒子對(duì)撞后，會(huì)創(chuàng)造出１00多億年前與宇宙大爆炸之后萬(wàn)億分之一秒時(shí)的狀態(tài)相類(lèi)似的條件，科學(xué)家期望能從中發(fā)現(xiàn)占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)和暗能量的蹤跡，從而揭開(kāi)宇宙起源之謎。設(shè)兩束質(zhì)子束對(duì)心正碰后，能量全部以光子的形式向外輻射，試求所輻射光子的頻率。（已知質(zhì)子質(zhì)量三、粒子加速器

3． 粒子加速器是一種用人工方法產(chǎn)生快速帶電粒子束的裝置。它利用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)將電子、質(zhì)子或重離子等帶電粒子加速。能提供速度甚至接近光速的各種高能量的帶電粒子束是人們改變?cè)雍撕突玖Ｗ?、認(rèn)識(shí)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的重要工具。串列靜電加速器是加速質(zhì)子、重離子進(jìn)行核物理基礎(chǔ)研究以及核技術(shù)應(yīng)用研究的設(shè)備，圖1是其構(gòu)造示意圖。S是產(chǎn)生負(fù)離子的裝置，稱為離子源；中間部分N為充有氮?dú)獾墓艿?，通過(guò)高壓裝置H使其對(duì)地有5.00×106 V的高壓?，F(xiàn)將氫氣通入離子源S，S的作用是使氫分子變?yōu)闅湓樱⑹箽湓诱掣缴弦粋€(gè)電子，成為帶有一個(gè)電子電量的氫負(fù)離子。氫負(fù)離子（其初速度為0）在靜電場(chǎng)的作用下，形成高速運(yùn)動(dòng)的氫負(fù)離子束流，氫負(fù)離子束射入管道N后將與氮?dú)夥肿影l(fā)生相互作用。這種作用可使大部分的氫負(fù)離子失去粘附在它們上面的多余的電子而成為氫原子，又可能進(jìn)一步剝離掉氫原子的電子使它成為質(zhì)子。已知氮?dú)馀c帶電粒子的相互作用不會(huì)改變粒子的速度。質(zhì)子在電場(chǎng)的作用下由N飛向串列靜電加速器的終端靶子T。試在考慮相對(duì)論效應(yīng)的情況下，求質(zhì)子到達(dá)T時(shí)的速度v。（電子電荷量q=1.60×10-19 C，質(zhì)子的靜止質(zhì)量m0=1.673×10-27 kg）

4． 粒子加速器除了有像串列靜電加速器這樣的直線加速器外，還有一種加速器叫回旋加速器，它的工作原理我們學(xué)習(xí)過(guò)。如圖2所示為一回旋加速器的示意圖，已知D形盒的半徑為R，中心上半面出口處O放有質(zhì)量為m、帶電量為q的正離子源，若磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，求：

（1）加在D形盒間的高頻電源的頻率。

（2）離子加速后的最大能量。

（3）離子在第n次通過(guò)窄縫前后的速度和半徑之比。

5． 在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，為增強(qiáng)質(zhì)子束碰撞的效果，需要加速到極高的速度，可達(dá)光速的99.99%，試問(wèn)同步回旋加速器能否完成這一任務(wù)？

四、愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論

6. 2008年9月10日9時(shí)38分，第一束質(zhì)子束流被注入安裝在地下１００米深的２７公里長(zhǎng)環(huán)形隧道內(nèi)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，質(zhì)子束將被加速至光速的99.99%。已知質(zhì)子的靜質(zhì)量m0=1.67×10-27 kg，試求對(duì)撞前質(zhì)子的質(zhì)量變?yōu)樵瓉?lái)的多少倍？

五、超導(dǎo)現(xiàn)象

7. 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中強(qiáng)大的磁場(chǎng)需要用巨大的電磁體提供，巨大的磁體能夠精確“掌舵”，使粒子沿著精準(zhǔn)方向運(yùn)動(dòng)，但這需要很低的溫度來(lái)保證，這個(gè)溫度為零下456.25華氏度（零下271.3攝氏度），接近絕對(duì)零度，比外太空還要寒冷。那么為何要將磁鐵冷卻到接近絕對(duì)零度這樣的低溫呢？因?yàn)樵诖说蜏叵?，磁鐵能在沒(méi)有任何電阻的情況下工作，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。下面有關(guān)超導(dǎo)現(xiàn)象說(shuō)法正確的是（）

A. 任何物質(zhì)的溫度降到某一值時(shí)都會(huì)出現(xiàn)電阻突然為零的現(xiàn)象

B. 轉(zhuǎn)變溫度低于液氦溫度（4.2K）的超導(dǎo)體叫低溫超導(dǎo)體；轉(zhuǎn)變溫度高于液氦溫度的超導(dǎo)體叫高溫超導(dǎo)體

C. 高溫超導(dǎo)體現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中

D. 超導(dǎo)體的主要特性是零電阻性，因此當(dāng)把這種材料用來(lái)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)能避免電能損失