中學(xué)視域下的近代物理事例

晏志武

(臨滄巿臨翔區(qū)一中 云南 臨滄 677000)

近代物理包括相對(duì)論和量子力學(xué)，其中狹義相對(duì)論描述高速運(yùn)動(dòng)(接近光速)物體的性質(zhì)，廣義相對(duì)論研究大質(zhì)量物體的引力，而量子力學(xué)則是專門針對(duì)微觀粒子的理論.這些似乎都與中學(xué)課程和日常生活相隔甚遠(yuǎn)，一般人仿佛不可能接觸到與近代物理有關(guān)的事物.其實(shí)不然.只要注意閱讀科技刊物，留心觀看科普?qǐng)?bào)道，再加上一點(diǎn)點(diǎn)查尋和思考的能力，就會(huì)發(fā)現(xiàn)還真有不少與近代物理有關(guān)的物理事例，它們或是肉眼看到的現(xiàn)象,或是已使用多次的產(chǎn)品.以下幾個(gè)實(shí)例，可證此言之不謬.

1 鉛蓄電池與狹義相對(duì)論

鉛蓄電池是一種結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉而又功能強(qiáng)大的化學(xué)電源.它就是將二氧化鉛極板(正極)和鉛極板(負(fù)極)放在稀硫酸溶液里，卻可以在兩個(gè)極板間形成2.1 V的電壓，產(chǎn)生80～400 A的強(qiáng)勁電流.其離子反應(yīng)式為

PbO2+4H++2e_=Pb2++2H2O

此式也很簡單.但讓科學(xué)家們長期困惑的是,電化學(xué)計(jì)算的鉛蓄電池電能值僅為實(shí)際值的20%，另外那80%的能量又是從哪里來的呢？難道作為平常之物的鉛蓄電池會(huì)違反能量守恒定律嗎？答案最終在

和

E=mc2

這兩個(gè)著名的狹義相對(duì)論公式中找到了.事情是這樣的,一般來講，原子間的化學(xué)反應(yīng)主要取決于離原子核最遠(yuǎn)的外層電子，與內(nèi)層電子無關(guān).外層電子所受的原子核引力很弱，無需為保持距離而快速旋轉(zhuǎn)，狹義相對(duì)論的質(zhì)量變化效應(yīng)完全可以忽略.鉛蓄電池的特殊性在于，鉛電極釋放的電子屬于外層電子，但此電子被二氧化鉛電極捕獲后卻跑到了更接近鉛原子核的軌道上，以更快的速度運(yùn)行.而碰巧的是，鉛原子核是包含82個(gè)質(zhì)子的“重核”，強(qiáng)烈地吸引可使鉛原子外層電子速度達(dá)到光速的1%，離原子核最近的電子速度更是高達(dá)光速的60%.根據(jù)上列“質(zhì)量公式”和“質(zhì)能方程”，電子在鉛極板時(shí)處于較低速度的外層，狹義相對(duì)論效應(yīng)引起的質(zhì)量變化很小.但此電子到達(dá)二氧化鉛極板后卻處于很高速度的內(nèi)層，質(zhì)量會(huì)顯著增大，能量隨之大幅增多.也就是說，電子從鉛電極離開時(shí)付出的能量很少，為二氧化鉛電極帶來的能量卻很多.經(jīng)過瑞典烏普薩拉大學(xué)和芬蘭赫爾辛基大學(xué)的化學(xué)家計(jì)算，狹義相對(duì)論效應(yīng)剛好能夠解釋鉛酸蓄電池多放出的那80%的電能.

其實(shí)，由于原子量較大、相對(duì)論效應(yīng)明顯，元素周期表中第5周期以后的元素與前面周期的元素在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上有許多差別.比如，金元素能形成Au2分子和Au-離子(與鹵素相仿)，金負(fù)離子被認(rèn)為是一種擬鹵素離子；又如，氣相汞與其他金屬不同，它大部分以單原子形式存在，被稱作偽惰性氣體.

2 GPS與相對(duì)論

GPS是由幾十顆衛(wèi)星組成的全球定位系統(tǒng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于軍事、交通、科技等領(lǐng)域，許多汽車上都安著它的地面接收裝置.可是您知道嗎，GPS定位實(shí)實(shí)在在地用到了相對(duì)論的原理.是這么回事.狹義相對(duì)論的時(shí)間公式

表明高速物體上的時(shí)間流逝會(huì)慢一些,而廣義相對(duì)論認(rèn)為引力小的地方時(shí)間過得要快一些.因?yàn)镚PS確定位置是依靠衛(wèi)星上面的原子鐘提供的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的(時(shí)間乘以光速即為距離)，導(dǎo)航定位的精度取決于原子鐘的精度，所以，要提供準(zhǔn)確的衛(wèi)星定位服務(wù)就必須考慮上述相對(duì)論效應(yīng).一方面，每個(gè)GPS衛(wèi)星速度約為1.4×104km/h，它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7 μs；另一方面， GPS衛(wèi)星位于距離地面大約2×104km的高空，其原子鐘由于引力較小而每天比在地球表面的原子鐘又要快45 μs.兩者相減，星載時(shí)鐘每天大約比地面時(shí)鐘快38 μs.為了校準(zhǔn)兩處的時(shí)間，衛(wèi)星時(shí)鐘每秒都要和地球時(shí)鐘核對(duì)一次.

3 強(qiáng)雷暴與粒子加速器和反物質(zhì)

粒子加速器是高能物理研究的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂，公眾難得一見,而反物質(zhì)(正電子、反質(zhì)子等)則更是稀罕之物，在地球自然界根本就沒有.可是，粒子加速器和反物質(zhì)又沒有想像的那么遙不可及.

早在1925年，英國物理學(xué)家瑞斯·威爾森(Charles Thomson Rees Wilson)就猜測雷暴可以形成天然的粒子加速器.當(dāng)雷暴產(chǎn)生的強(qiáng)烈閃電與來自宇宙線的高能粒子混合時(shí)，就為雷雨云上空巨大的粒子加速器形成提供了適當(dāng)?shù)臈l件,即宇宙線會(huì)使大氣分子電離，電離出來的自由電子又被閃電電場向上加速至接近光速，在其沖向高層大氣時(shí)，引發(fā)軔致輻射產(chǎn)生伽馬射線，能量達(dá)到1.022×106eV的伽馬射線光子能夠產(chǎn)生正、負(fù)電子對(duì)

反物質(zhì)(正電子)就此出現(xiàn)，且正負(fù)電子的能量均為

E=mec2

代入數(shù)據(jù)得

E=8.19×10-14J=5.11×105eV

產(chǎn)生兩個(gè)光子才能同時(shí)遵守能量守恒和動(dòng)量守恒定律.雖然這些高能事件從開始到結(jié)束只是一剎那，但產(chǎn)生的電子束的能量卻與一座小型核電站不相上下.有一件真實(shí)發(fā)生的事情可以證明上述推論的正確性.

2009年12月14日，美國國家航空航天局(NASA)的物理學(xué)家邁克爾·布里格斯(Michael Briggs)發(fā)現(xiàn)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡傳來了一次比通常宇宙輻射強(qiáng)得多的5.11×105eV伽馬射線閃(TGF)，這意味著探測到了大量正電子.射線如此之強(qiáng)說明來源非常之近， 就在地球附近.仔細(xì)查對(duì)當(dāng)時(shí)的氣象資料后，科學(xué)家得出了一個(gè)出乎意料的結(jié)論.那時(shí)，費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡正處于埃及上方560 km處，一場強(qiáng)雷雨風(fēng)暴恰在其視野之外的贊比亞上空形成.“雷暴粒子加速器”促成了一次伽馬射線閃，高能伽馬光子又產(chǎn)生出許多正、負(fù)電子對(duì)，有些向空中逃逸的正電子在地磁場的作用下?lián)糁辛藥浊?km外費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡中的電子，正、負(fù)電子相撞產(chǎn)生的5.11×105eV伽馬射線又被望遠(yuǎn)鏡中近在咫尺的儀器逮個(gè)正著，射線強(qiáng)度當(dāng)然十分了得(有興趣的學(xué)生可以對(duì)著地球儀，用左手定則判斷一下朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的正電子才能在地磁場的作用下，從贊比亞跑到埃及上空).邁克爾·布里格斯及其同事重新分析了費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡的以往記錄，找到了77條能量高于1.022×106eV的伽馬射線閃數(shù)據(jù)，它們?nèi)縼碜缘厍蚨沁b遠(yuǎn)的星空.雷電無疑是地球上除宇宙線、放射性物質(zhì)、大型粒子加速器之外的又一個(gè)反物質(zhì)來源.將于2015年升空的閃電輻射分析衛(wèi)星(TARANIS)將把探測器對(duì)準(zhǔn)地面，專門捕捉雷電產(chǎn)生的伽馬射線閃和反物質(zhì).

4 光合作用與量子力學(xué)

光合作用是植物、藻類利用葉綠素和某些細(xì)菌利用其細(xì)胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水(細(xì)菌為硫化氫和水)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣(細(xì)菌釋放氫氣)的生化過程.這個(gè)過程對(duì)于絕大多數(shù)生物來說都是至關(guān)重要、不可或缺的，因此，光合作用歷來是科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn).

某些藻類和細(xì)菌能夠把太陽能以幾近100%的效率轉(zhuǎn)移到光合反應(yīng)中心，并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能.其速度之快使太陽能的傳遞幾乎就在瞬間完成，所以,很少有能量以熱的形式耗散掉.這個(gè)發(fā)現(xiàn)和光合作用的經(jīng)典論述相悖.傳統(tǒng)上認(rèn)為,光能從聚光色素分子到反應(yīng)中心分子是一步一步躍遷的，每一步都會(huì)有能量損失，效率不可能太高.光合作用中近乎無損耗的能量傳輸?shù)降资侨绾螌?shí)現(xiàn)的呢？2007年，美國加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)家格拉漢姆·弗萊明(Graham Fleming)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)找到了原因.他們認(rèn)為，光合作用的過程必須用量子力學(xué)才能準(zhǔn)確表述.擊中一個(gè)細(xì)菌或藻類“色素天線分子”的光子會(huì)激起一波一波帶能量的粒子——應(yīng)激子(特定頻率的電子振蕩)，就像石頭落入池塘?xí)て鸩y一樣.這些應(yīng)激子是相干的(頻率相同、相位差固定)，相干量子波能夠同時(shí)以兩種或多種狀態(tài)存在，因此，它們可以同時(shí)探測到多個(gè)可能的路徑，并自動(dòng)選擇最有效的路徑到達(dá)光合反應(yīng)中心.科學(xué)家以一個(gè)通俗比喻來解釋這種情況,如果下班高峰時(shí)駕車回家有三條可選路線，你只能走其中一條，但卻不知道此時(shí)其他的路線是否會(huì)更快或更慢一些.然而,對(duì)于量子力學(xué)來說，你可以讓這三條路線同時(shí)進(jìn)行來找出最短路線,無需指出你身在何處，就能選到做功最少的路線.

對(duì)于光合作用中量子效應(yīng)的理解，使科學(xué)家有望發(fā)明一種原理類似的高效太陽能設(shè)備，為解決能源危機(jī)開創(chuàng)一條綠色環(huán)保的道路.

上面幾個(gè)實(shí)例充分說明，科學(xué)并不是與公眾隔絕、與百姓無關(guān)的事物.科學(xué)影響著人們的生活，科學(xué)決定了人類的未來.同學(xué)們，老師們，我們是不是應(yīng)該對(duì)科學(xué)技術(shù)多一分熱情，多一些關(guān)注，多一點(diǎn)思索呢.