初中物理教学参考 浅谈新型能源──反物质

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中学物理教研 浅谈新型能源──反物质
河南省卢氏县第一高级中学　徐建强
　　组成物质的粒子





　　自古至今人类一直在研究物质的组成成分，直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。然而在1897年，英国物理学家J．J·汤姆孙（J．J·Thomson．1856—1940）发现了电子，从而认识到原子是可以分割的。后来陆续发现了质子和中子，从而叩开了原子世界的大门。认为电子、质子和中子是组成物质的最小微粒不可再分，并叫做“基本粒子”。随着科学的进步，又发现了很多新的粒子及质子和中子也有自己的复杂结构，因而到20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为“粒子”。

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反粒子的发现

　　1928年英国物理学家P·A·M．狄拉克（Paul Adrie Maurice DIRAC，1902-1984）在自己的理论上预言正电子（与电子的质量相同，但电荷却相反）的存在。时隔不久，美国物理学家C·D·安德森（Anderson，Carl David，1905—1991）1932年在研究宇宙射线在磁场中的偏转情况时发现了一种前所未知的粒子，而这恰好是狄拉克所预言的正电子也称反电子。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在。

　　1955年美国物理学家欧文·张伯伦（Owen Cham-berlain，1920-2006）和埃米利奥·吉诺·塞格雷（Emilio Gino Segre，1905-1989）在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同，带一个单位负电荷的粒子。1956年他们又发现了反中子，由于反中子不带电，但它的磁矩对于其自旋是反号的。因此他们共同分享了1959年度诺贝尔物理学奖。

　　经研究发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。而且粒子与反粒子结合会导致两者湮灭，因而释放出高能光子或伽玛射线。有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。反粒子的出现进一步展示了物理学的完美对称性。

　　反物质

　　粒子可构成物质，自然想到反粒子也可构成反物质。粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核，反核和反电子结合在一起，就能组成反原子，进而构成反物质。寻找反物质成为十分重要的科研课题。1998年6月3日由丁肇中主持的在宇宙中寻找反物质研究已有16个国家的科学家参与其中，目前已取得一些重要成果。如果反物质存在，且宇宙中正反物质为等量，延伸起来讲，大量反物质可构成自己的恒星和星系。那么这样的反恒星和反星系就应当存在。这则成为天文学家的重大课题──宇宙中有反恒星和反星系吗？

　　反物质能的应用

　　由于反物质是正常物质的反状态，当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。将氢和反氢混合湮灭来获得能量，这种燃料的1％克所产生的推力相当于120吨由液态氢和液态氧组成的传统燃料。

　　回顾历史不难发现，任何新的物理现象或新的物质的发现，最先总是想到在军事上的利用，原子弹的诞生无疑是一个最好的例子，从发现中子链式反应到世界上首枚原子弹的爆炸仅用了7年时间。对于反物质，早在刚发现正电子时，就有人想到利用正反物质湮灭反应产生的巨大能量来制造火箭推进器的燃料，由于技术等各方面条件的影响，到80年代以后反物质在军事上的研究引起各个国家的重视。反物质制造的核武器是目前核武器中威力最强、最重要的一种，远远大于氢弹的杀伤力。

　　反物质能潜在且十分诱人的另一用途是用来制造星际航行火箭的超级燃料，很优秀的新型能源。利用反物质能进行星际旅行，还可以减少携带燃料的质量，进一步提高飞行器的飞行速度。