淺談新型能源

建強(qiáng)

組成物質(zhì)的粒子

從古至今人類(lèi)一直在研究物質(zhì)的組成成分，直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒。然而在1897年，英國(guó)物理學(xué)家J.J.湯姆孫（1856～1940年）發(fā)現(xiàn)了電子，從而認(rèn)識(shí)到原子是可以分割的。后來(lái)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子，從而叩開(kāi)了原子世界的大門(mén)。認(rèn)為電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的最小微粒不可再分，并叫作“基本粒子”。隨著科學(xué)的進(jìn)步，又發(fā)現(xiàn)了很多新的粒子，質(zhì)子和中子也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因而到20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱(chēng)為“粒子”。

反粒子的發(fā)現(xiàn)

1928年英國(guó)物理學(xué)家P.A.M.狄拉克（1902～1984年）在自己的理論上預(yù)言正電子（與電子的質(zhì)量相同，但電荷卻相反）的存在。時(shí)隔不久，美國(guó)物理學(xué)家C.D.安德森（1905～1991年）在研究宇宙射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種前所未知的粒子，而這恰好是狄拉克所預(yù)言的正電子也稱(chēng)反電子。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產(chǎn)生了正電子，從而從實(shí)驗(yàn)上完全證實(shí)了正電子的存在。

1955年美國(guó)物理學(xué)家歐文·張伯倫（1920～2006年）和埃米利奧·吉諾·塞格雷（1905～1989年）在加速器的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，即質(zhì)量和質(zhì)子相同，帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子。1956年他們又發(fā)現(xiàn)了反中子，由于反中子不帶電，但它的磁矩對(duì)于其自旋是反號(hào)的。因此他們共同分享了1959年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，各種粒子都有相應(yīng)的反粒子存在，這個(gè)規(guī)律是普遍的。而且粒子與反粒子結(jié)合會(huì)導(dǎo)致兩者湮滅，因而釋放出高能光子或伽瑪射線。有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱(chēng)為純中性粒子。光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。反粒子的出現(xiàn)進(jìn)一步展示了物理學(xué)的完美對(duì)稱(chēng)性。

反物質(zhì)

粒子可構(gòu)成物質(zhì)，自然想到反粒子也可構(gòu)成反物質(zhì)。粒子實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，正反粒子的強(qiáng)作用和電磁作用性質(zhì)完全一樣，因此反質(zhì)子和反中子也能結(jié)合成帶負(fù)電的反原子核，反原子核和反電子結(jié)合在一起，就能組成反原子，進(jìn)而構(gòu)成反物質(zhì)。尋找反物質(zhì)成為十分重要的科研課題。1998年6月3日，由丁肇中主持的在宇宙中尋找反物質(zhì)研究，已有16個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與其中，目前已取得一些重要成果。如果反物質(zhì)存在，且宇宙中正反物質(zhì)為等量，延伸起來(lái)講，大量反物質(zhì)可構(gòu)成自己的恒星和星系。那么這樣的反恒星和反星系就應(yīng)當(dāng)存在。這則成為天文學(xué)家的重大課題──宇宙中有反恒星和反星系嗎？

反物質(zhì)能的應(yīng)用

由于反物質(zhì)是正常物質(zhì)的反狀態(tài)，當(dāng)正反物質(zhì)相遇時(shí)，雙方就會(huì)相互湮滅抵消，發(fā)生爆炸并產(chǎn)生巨大能量。將氫和反氫混合湮滅來(lái)獲得能量，這種燃料的1%克所產(chǎn)生的推力相當(dāng)于120噸由液態(tài)氫和液態(tài)氧組成的傳統(tǒng)燃料。

回顧歷史不難發(fā)現(xiàn)，任何新的物理現(xiàn)象或新的物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，最先總是想到在軍事上的應(yīng)用，原子彈的誕生無(wú)疑是一個(gè)最好的例子，從發(fā)現(xiàn)中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)到世界上首枚原子彈的爆炸僅用了7年時(shí)間。對(duì)于反物質(zhì)，早在發(fā)現(xiàn)正電子時(shí)，就有人想到利用正反物質(zhì)湮滅反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量來(lái)制造火箭推進(jìn)器的燃料，由于技術(shù)等各方面條件的影響，到80年代以后，反物質(zhì)在軍事上的研究引起各個(gè)國(guó)家的重視。反物質(zhì)制造的核武器是目前核武器中威力最強(qiáng)、最重要的一種，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫彈的殺傷力。

反物質(zhì)能潛在且十分誘人的另一用途是用來(lái)制造星際航行火箭的超級(jí)燃料，是很優(yōu)秀的新型能源。利用反物質(zhì)能進(jìn)行星際旅行，還可以減少攜帶燃料的質(zhì)量，進(jìn)一步提高飛行器的飛行速度。

人教版物理九年級(jí)全一冊(cè)第二十二章《能源與可持續(xù)性發(fā)展》課外閱讀延伸