0

0
0

文字

分享

0
0
0

更精準的測量了質子的質量,質子表示:害羞>/////<--《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/10/30 ・976字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 614 ・十年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/Steven K. Blau (譯者:林中一 教授)

對一個基本常數的重新認定會對其他度量衡的量產生漣漪效應。

在基本粒子的動物園裡不乏一些像 K 介子(K meson)和五夸克(pentaquark)等異類,但也有建構我們日常生活的三寶:質子、電子、與中子。我們對質子質量特別有興趣,不只是因為那是質子最主要的本質,也因為在精確測定中子質量與其他物理量時必須用到質子質量。

德國馬克斯.普朗克的核物理研究所的一個由斯文.史特姆(Sven Sturm)所領導的團隊測量了質子的質量,其精確度高達一兆分之 32,這是比之前所達到的精確度進步了三倍之多。他們測量的結果,質子質量 mp = 1.007276466583 amu (原子質量單位),比現行結果低了大約一兆分之 300。

如同其他做過質子質點精確量測的團隊,史特姆與他的同僚們使用了以電場和磁場來捕捉離子的彭寧離子阱(Penning trap)。經過他們改良之後,研究者們可以快速的交替捕捉質子與碳 12 重離子 12C6+,並測量出他們在離子阱磁場中的迴旋加速器頻率(cyclotron frequency))qB/2πm。質子質量則由兩者的頻率比得出。過程中碳 12 原子的質量是定義為正好等於 12 amu,而且精確計算 12C6+ 離子質量所需之修正是早已眾所周知的。

圖/物理雙月刊提供。

離子在彭寧離子阱中的運動,可以被分解為垂直於磁場方向的較快速與較慢的圓運動,以及平行磁場方向的振盪運動。如此,迴旋加速器頻率必須經由觀察這兩種運動的複合軌跡中梳理出來。量測誤差的最大來源在於離子阱中磁場可能是不均勻的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在此之前學界對氦 -3 (3He)質量,有兩個結果相差了三個標準差的量測。史特姆團隊所量得的較低的質子質量有可能成為解決這個差別的關鍵。那兩個 3He 質量彼此不相符的量測所運用的質子質量是史特姆之前大家所接受的數值。但若是使用史特姆的數據,則那兩個氦 -3 實驗結果的差別會少了一半。(參見 F. Heiße et al., Phys. Rev. Lett. 119, 033001, 2017.doi:10.1103/PhysRevLett.119.033001.)

  • 本文感謝 Physics Today (American Institute of Physics))同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於 Physics Today, Septermber/2017 雜誌內(Physics Today 70, 9, 23 (2017); http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3686);原文作者:Steven K. Blau。中文譯稿:林中一教授,國立中興大學物理系。
  • Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Steven K. Blau, and are published on Physics Today 70, 9, 23 (2017); http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3686). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

文章難易度
物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 13 位粉絲
《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

1

2
0

文字

分享

1
2
0
如果整個地球由質子構成,月球由電子構成,那會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/04/26 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果整個地球都由質子構成,而整個月球都由電子構成,那會怎樣?
——諾亞.威廉斯(Noah Williams)

質子地球,電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行,有點像是巨大的氫原子。某方面來說,這還有點道理;畢竟,電子繞著質子運行,而衛星繞著行星運行。事實上,原子的行星模型曾流行一時(不過,拿來解釋原子竟然不太管用)。

如果你把兩個電子放在一起,它們會想要分開。電子帶負電,而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 1052 個電子放在一起(構成月球),它們會劇烈的互相排斥,以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

事實證明,對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說,行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行,因為它們根本沒有機會影響彼此;使兩者各自分別炸開的力量,會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論(等一下會回來談),我們可以算出,來自這些電子相互排斥的能量,足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見;桌上型粒子加速器(例如映像管螢幕)可以將電子加速到光速的相當比例。

但是,諾亞月球的電子所攜帶的能量,會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級,普朗克能量本身則是比最大的加速器中,所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說,諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度,帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯.波耳研究所(Niels Bohr Institute)的弦理論科學家基勒博士(Dr. Cindy Keeler),請教她關於諾亞的假設情境。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

基勒博士同意,我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算,因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情,」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中;我認為比大型強子對撞機大了差不多 106,但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家,我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話,我們也不知道。」

幸好,故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎?嗯,這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下,存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間,和質量一樣。結果證明,電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在(相對較小的)月球的空間裡,會使時空強烈扭曲,甚至會比那 1052 個電子的排斥力還要強。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

基勒博士斷言:「沒錯,黑洞。」但這可不是普通的黑洞,而是帶有大量電荷的黑洞。為此,你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西(Schwarzschild)方程式,而是萊斯納—諾德斯特洛姆(Reissner-Nordström)方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大,黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體,光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點(naked singularity)。

一旦有了裸奇點,物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案,甚至是不同的荒謬答案。有人認為,物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言,「沒有人喜歡裸奇點。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

以電子月球的例子來說,來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大,以致重力會獲勝,而奇點會形成正常的黑洞。至少,某方面來說是「正常的」;它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎?很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事,沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言,至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展,因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平,對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

所有討論 1
天下文化_96
132 篇文章 ・ 618 位粉絲
天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
夸克是構成物質的基本單位,那麼強子呢?它們的關係是什麼?——《科幻小說不是亂掰的:白日夢世界中的真實科學》下
時報出版_96
・2019/06/11 ・2659字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

反物質是怎麼一回事?

反物質是一種物質,只是不同的物質而已。

它之所以不同是因為它是由奇特的粒子所組成,這種粒子有著和一般物質相反的電荷。換句話說,在反物質裡的原子有帶正電的電子,稱為陽電子或正電子,盤旋在一個由帶負電的質子,又稱為反質子,所組成的原子核上方的活躍雲團。當一個粒子接觸自己的反相同那面時,它們會互相殲滅對方。那股能量必須要有出處,在科幻小說裡,這股能量能當作機器或武器的能量使用。

光劍!圖/pixabay

理論上來說,在我們的宇宙裡的每一個物質,應該要有一樣數量的反物質。並且它們應該已經將對方清除,但並沒有,所以我們才會在這兒。因為某些原因,在我們的宇宙的附近,物質在原始年代(primordial era〉會逐漸將反物質排擠出去。這在宇宙的其他地區並不必然是真的。在那兒的某處有可能是反物質銀河,這可以是科幻小說作家考慮用的素材。如果來一個一艘太空船正穿過一道只能用看的卻無法接觸的反物質銀河這樣的題材,如何?

諾貝爾獎得主的物理學家保羅.狄拉克(Paul Dirac〉於一九二八年導出一個發現反物質的方程式。這並非他的本意,完全是個偶然事件,這也是許多新發現的動機。一切都是從他有一個非常詭異的想法開始的,那就是自然法則應該適用於一切所有的事物。自己去想想吧! 在那個時候量子力學是以薛丁格的破壞相對論做出公式化的表達,而相對論完全忽視量子力學。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

狄拉克的公式成功地將這兩者一致化,當他呈現一個電子以接近光速的速度行進時會產生什麼。好笑的是這個公式也有一個一致的解決方式,就是陽電子。卡爾.戴維.安德森(Carl D. Anderson〉於一九三二年發現陽電子,也就是反物質的第一個直接證據。

正子電腦斷層掃描。圖/pixabay

他因為這項發現於一九三六年獲頒諾貝爾獎。現在陽電子已經使用於正子電腦斷層掃描上。

好吧! 來點比較平易近人的話題吧! 雖然現在還處於針對癌症治療的概念階段,使用反物質而非放射療法(對腫瘤放射 X 光或質子〉可能對病人來說會安全的多。反質子可以使用於殲滅腫瘤原子的核心裡的質子。加上釋放出的能量可以對腫瘤細胞做出更大的破壞。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所謂

質子和中子都是由夸克所組成的。夸克的形式物理學家稱做「有不同的口味」:上夸克、下夸克、迷人的夸克、奇怪的夸克、頂尖的夸克、墊底的夸克。

為了讓這篇文章(幾乎是啦!〉保持簡單,我會將討論範圍縮小至上夸克與下夸克,因為它們是最穩定的。你要做好心理準備,因為我在這裡會變得比較數學性喔! 但都只是些加法演算而已啦!

來複習一下,一個質子帶有一正電荷,一個電子帶有一負電荷,與一個不帶電的中子。現在奇怪的來了:上夸克帶有三分之二正電荷及下夸克帶有三分之一負電荷。是的,這些都是部分少量的。我知道,這很誇張! 對非物理學家的人來說,這根本不用擔心,因為歸因於強核子力,它們在大自然裡絕對不會被單獨發現。

夸克是如何在一個原子的核心裡為粒子充電:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一個質子是由兩個上夸克及一個下夸克所組成。

現在用數學來表現:

+ 2/3(上夸克〉+ 2/3(上夸克〉- 1/3(下夸克〉= 1,一個正電荷。

一個中子是由一個上夸克及兩個下夸克所組成。

+ 2/3(上夸克〉- 1/3(下夸克〉- 1/3(下夸克〉= 0,一個電中性。

為了讓這點更複雜,沒有兩個夸克的結合可以讓你得到負一、零或一。好吧! 是幾乎沒有任何結合。要讓一個兩個夸克的結合可以成立,你需要所謂的反夸克(帶有負三分之二與正三分之一電荷〉。

在接下來的這兩個段落是針對完整性,所以下次某人試著要用核子物理學來讓你對他有好感時,你可以點頭示意表示了解。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

強子和克的關係

任何由強核力結合而成的事物稱為強子。任何由三個夸克組成的強子稱為重子(像是質子和中子〉。從另一角度來看,介子是由兩個夸克所組成的強子。

電子是基本的粒子,意味著它們無法再做分割。它們來自和夸克無關的另一個稱為輕子的家族。不像強子,輕子不會和強核力互動。它們的選擇仲裁者是電磁力。電子是最輕的帶電輕子。這對我們的存在是非常棒的,因為只有最輕的帶電輕子是最穩定的。因為這種穩定性才會產生化學。

化學萬歲!大家來中場休息,吸個貓~圖/pixabay

來個小結論吧!

四種宇宙原力的影響範圍

在影響的範圍與強度來說,這四種力量有很大的分別。其中最強的力量(真是驚喜!〉是強核力。提供一個參考方式,想像強核力的強度是被定義為相等的一種力量。第二強的力量是電磁力,但只有強核力的一百三十七分之一的強度。接著是弱核力,令人震驚的是它只有強核力的 0.0000001 強度。最後來到這四個裡面最弱的力量,就是重力,它只有強核力的 0.00000000000000000000000000000000000001 的強度。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

是的,重力是相對地微不足道。我們的整個星球都在把你往下拉,但只要一個廚房用吸鐵貼就能夠讓一個迴紋針從地面上彈跳起來。而且你一定有注意到一丁點的靜電是如何讓一張紙可以貼在你的手上並壓倒性地征服整個星球的重力作用。

重力與電磁力兩者皆有一種無限範圍的影響力,而強核力與弱核力的範圍則較小。強核力的影響力不超過一個原子核的寬度(0.000000000000001 公尺,或一費米〉。弱核力則侷限於一個質子直徑的一個百分比的十分之一。

核融合 vs. 核分裂

核分裂是當重的原子核以分裂的方式釋放能量。核融合是從結合原子核及提升元素週期表到較重的原子。舉例來說,在早期的宇宙,氫原子融合以形成氦原子。當兩個原子融合時,新原子的大部分會比兩個原來的原子總和來的少。消失的大部分透過 E=mc2 公式變成能量。

E=mc2。圖/pixabay

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

身為一種力量來源,核融合的優點是沒有像核分裂一樣會有長久的放射性的廢料產生。

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》,2019 年 3 月,時報出版

時報出版_96
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
原子理論是什麼?你夠了解原子嗎?——《科幻小說不是亂掰的:白日夢世界中的真實科學》上
時報出版_96
・2019/06/11 ・2663字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

來點原子理論吧?

你絕大部分是空曠的空間。是的,在那許多空間中有著所有的電子在你的身體裡與環繞在它們周圍的細胞核。因為數量多到如果所有的空間都被消滅,你會崩解成比一顆雀斑或是一隻螞蟻還小。

這不是關於原子唯一詭異的地方,當你接觸由原子所組成的任何東西時,你其實沒有碰到任何東西。而且,你可以接觸或被觸碰,雙手並沒有穿過你,你所感受到的是電磁力。

圖/maxpixel

以本書為例,電子行進你的指尖的原子軌道只會從這本書的電子感覺到排斥作用。你感受到的是一股排斥的力量,但你認為你感受到的是由你的強大的頭腦所作的決定。這是一件好事,你的雙手可能不想要用這本書打造一個分子,所以就排斥它。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

事實上在摩擦的形式裡有一點化學結合。你不會想要這本書就從手上滑落,那就是說,原子的化學結合是件好事,它能夠結合物質。

原子間的激情碰撞。圖/pixabay

如果你用一把刀切了一片麵包,刀子其實沒有碰到麵包。刀子的原子推開麵包的原子。

這所有的一切都是因為電磁力的關係,它是宇宙裡的四大主要力量之一。這些力量負責所有粒子物理裡的標準模型,這個模型到目前為止是針對物質(粒子〉的基礎材料如何在我們的宇宙遊樂場裡互相合作的最佳解釋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

四種宇宙力量

  • 電磁—這種力量能把物質連接在一起,包括原子。太好了! 要感謝電磁力,才有光明。我們在宇宙所看到的每一樣東西都是來自電磁波。
  • 重力—有些人覺得重力交互作用很有意思,雖然重力是在標準模式裡,但它卻無法以此來解釋。
  • 弱核力(弱作用力)—這個力量是放射性衰變的原由。聽起來很無趣,但沒了它,就沒有太陽;所以也不會有你的出現。
  • 強核力(強作用力)—這個力量連接原子裡的原子核。如果沒有這個力量,在你以碳為主的身體裡的原子中帶正電質子會互相排斥。還好有這股強作用力將質子與中子一起綁在它們的原子裡的原子核中。

技術補充:這四種力量都有帶粒子,這些帶粒子就像是其它粒子間的使者。例如,一個光子(光的量子,是光的一個粒子的使用術語〉是電磁學的使者。當兩個電子靠近時,它們會送出光子的「走開」的訊息給對方。這個訊息是非常強大並且會把電子推開。

如果一股粒子力量存在於重力,它會默默地傳導。或者更糟的是,它會接受證人保護計畫與躲藏到連科學家都無法找到。而且為了要符合標準模式,它必須在所有物質上用盡所有力量。有些說法是指這有可能是重力子,是重力的量子化化身。重力子是量子力學的聖杯,如果它浮出檯面,科學家可能最後可以讓相對論與量子力學一致。

何謂原子?

每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。圖/pexels

這個問題的答案可能沒有你想像的那樣簡單。回到遠古時期(約西元前四百六十五年〉,希臘自然派哲學家德謨克利特(Democritus〉說過我們所觀察到的每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。(原子 atom 源自於希臘文 atomos,意思就是「不可分割」〉。他深信如果你一直將某件物品對半切開,一定會來到一個點是你將無法再切割它。

這些無法分割的基本粒子是組成存在於我們身邊的每個事物。德謨克利特定義了我們現在所叫的原子,但他既對也錯。他對的是每一個事物都是由原子組成,但它們不是最基本的,因為它們可以再拆解。你可能在中學或高中(或更早〉時學過,一個原子可以再分成帶負電的電子、帶正電的質子及不帶電荷的中子。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

圖/wikimedia

所有一般正常的原子都有一個不帶電荷,意思是它們有著相同數量的電子及質子。沒有相等數量的電子及相對應數量質子的原子,我們稱為離子。不同的離子帶有不同的電造成原子結合成分子。這就是化學了。

特立獨行的氦原子

現在事情發展到這裡只會變得更詭異了。試想一個氦原子,這個「某樣東西」的小部分來自於兩個帶負電的電子繞著兩個帶正電的中子。(因為如此,這個原子就不帶電荷。兩個帶負電的電子抵銷了兩個帶正電的質子,它們的電荷是由於電磁力所產生的。〉

你曾經聽過關於異性相吸嗎? 這就是電磁力運作的方式。一個正電無法抵抗一個負電的充滿誘惑吸引力。並且,兩個志趣相投的負電是無法忍受一直膩在一起。根據這種直覺,氦原子是說不通的。首先,就我們所知道的磁鐵,難道電子不會摧毀帶正電的質子嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

第二點,為什麼兩個帶正電的質子不會互相排斥呢?

兩個帶正電的質子不會互相排斥,大概是因為貓太可愛了(大誤。圖/pixabay

第一個問題的答案是電子的軌道因為波粒子二元性不會受到破壞。如果你不記得這個主題,那我們來複習一下:每一個事物都有自己的頻率波。從記憶圖像的觀點來說,可以將波想像成彈簧(從側面看,它像一道波浪〉。當一個電子接近其核心時,彈簧就會變得越來越緊直到某一個寬度是無法再做任何壓縮。這讓它們沒辦法進入原子核中。

為什麼在一個原子核裡的質子會結合在一起的這個問題的解答就是強核力。在一個非常短的距離,假設是一個原子核的寬度好了,其力量的強度遠超過試著要分開它們的電磁力。在這章插曲加碼篇,你會知道這些力量彼此間到底有多強的關聯性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

答案是宇宙大爆炸後約三十八萬年。第一個原子出現在我們的宇宙是氫與氦原子,是原子裡重量最輕的。比較重的原子一直到一百六十萬年後第一批恆星(團)形成後才出現。所謂的新手,也就是這些較重的原子(元素)像是鐵,一直到第一個超新星出現後才存在。越大的原子有可能越年輕。這是因為它們是從較輕的原子經過混合後所形成的。

 

 

 

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》,2019 年 3 月,時報出版

時報出版_96
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。