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第26页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    《1分钟物理》第26页,页面无弹窗的全文阅读!

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    05.为什么极光是绿色的?
    首先我们需要知道,极光是来自地球磁场或太阳的高能带电粒子流使高层大气分子或原子激发而产生的。根据能量最低原理,激发态是不稳定的,被激发的原子等一段时间后(这段时间称为寿命)会释放出一定能量的光子,然后回到稳定的基态,这一过程中放出的光就是极光。而大气分子主要是由什么构成的呢?没错,主要是氮气和氧气。
    根据我们上面的阐述,极光颜色主要靠激发态决定,也就是由大气分子的组成以及入射电子能量大小决定。当入射电子能量不太大时,氧原子容易被激发,最终产生的光波为557.7纳米的淡绿色光。而能量较大时,氮原子容易被激发,最终产生427.8纳米的蓝色光。能量很大的时候,630纳米的红光容易发出。
    虽然高层内空气密度小,但是碰撞对于寿命长的态而言依然是有巨大影响的,比如,630纳米的红光寿命约为110秒,而处于这种激发态的原子,只要被其他原子碰撞,激发态就会改变,再跃迁回基态时发出的光的颜色也会随之改变,不会再是红光了。而557.7纳米的淡绿色光寿命为1秒左右。人眼可以观测到的较低层空气密度相对高层较大,碰撞较多,因此人们看到的极光多为绿色光。
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    06.太阳是个什么样的“火”球?
    太阳的成分主要是氢和氦,也有少量其他元素;其能量来源主要是内部核聚变;太阳的结构就比较复杂了,从内到外有不同的区层,肉眼看到的可见光主要是从靠近外层的“光球”层发射出来的,温度为5000摄氏度左右(随位置变化)。从这个角度讲,它有点类似超高温火焰。光球包含很多种类的元素,具体成分可以从太阳光谱中推测,原理类似焰色反应。更外层的日冕温度极高,达到百万摄氏度,因而其中气体极其稀薄,且几乎完全电离。这些等离子体高速运动会带来磁场(太阳磁场来源不止一种);磁场也会影响到等离子体的运动;离子和电子在磁场中的回旋运动和振荡还会带来各种电磁波辐射。另外,磁重联过程释放巨大的能量,也会带来一系列丰富的现象。
    总之,把太阳比作火球,形象直观,但也过于简单——其中的物理现象要比普通的火焰丰富得多。
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    07.为什么地球的引力没法束缚氦元素?
    题主这么问,显然是了解万有引力与逃逸速度的。
    如果把空气中的分子想象成一颗微型的卫星,则当其速度大于第二宇宙速度11.2千米/秒时,就会完全脱离地球引力,飞向浩瀚的宇宙。考虑到室温附近气体温度与分子平均动能的关系,可推得方均根速率v=(3RT/M)1/2,其中M为分子的摩尔质量。这说明,总体而言,质量越小的气体分子,其运动速度越大。
    尽管如此,氦原子速率每秒也就几千米,与第二宇宙速度还差很多呢。可是别忘了,气体实际速率是依概率分布的,这就是麦克斯韦速率分布,它拖着一条长长的尾巴;也就是说,有少量的分子速度可以很快。虽然这部分分子比例并不高,但是涉及地球演化的过程,时间尺度是很大的,经过亿万年的积累,这部分逃逸就很可观了。
    当然,由于分子量不同,气体间的差异也拉大了。这也是地球大气层中氢气和氦气很少,而以氮气、氧气以及更重的气体为主的原因之一。再看看其他星体:月球引力太小,啥都留不住;火星呢,引力比地球小些,氮气、氧气容易跑,所以大气中主要的就是更重的二氧化碳了;而木星引力比地球大得多,其大气中存在大量的氢气和氦气。
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    08.既然太阳主要是氢氦构成的,那阳光中的合成光线为什么是白色的?
    对于这个问题,简单的回答是:太阳光谱是热辐射的结果,而不是原子跃迁的结果,而氢气燃烧的淡蓝光是原子跃迁的结果。
    物体发出单个光子有多种层次,分子层次上的能量小,一般包括微波,原子层次上的一般包括近红外射线到近紫外射线(包括可见光),原子核层次的一般包括X射线和其他射线。当然也有粒子因速度变化(例如碰撞)而发出光子的情况。
    这是一个氢、氦或者别的元素发出光谱的问题,我想你是在考虑原子层次的发光。以氢元素为例,根据玻尔原子模型(围绕原子核运动的电子只能在特定轨道上运动),如果氢原子外面的电子从一个高能级轨道跃迁到低能级轨道上,那么就会放出一个光子来。例如电子从n=3的轨道跃迁到n=2的轨道,就会释放出一个波长为656.3纳米的光子(对应红光)。
    由于每个原子跃迁释放的能量都是固定的,所以当它们的电子从高能级跃向低能级时,就会释放出特定的光子,每种原子都对应自己独有的一个发射光谱。宏观上说,我们看到氢气燃烧时发蓝光,钠离子呈黄色等,这是它们的特征谱。
    反过来说,如果原子的电子从低能级跃迁到高能级,那么它就会吸收特定波段的光。假如我们用全光谱的光去照射氢气,从另一面收集到的光谱上就会有一些被吸收的线条,这正是之前氢原子发射光谱对应的光谱线。
    我们接下来考虑太阳的发光问题。这首先是发生在原子核水平上的。太阳之所以发光,从本质上说是因为它内部的氢核在高温高压下发生了核聚变,四个氢原子聚变成了一个氦原子;由于四个氢原子的质量比一个氦原子的质量稍大,根据爱因斯坦的质能关系,减少的质量就转化为能量,以γ光子的形式辐射出去。但是太阳内部粒子的密度太大了,这些辐射出去的γ光子不断地与其他粒子碰撞。根据估算,一个光子若要从太阳发生核聚变的地方跑到太阳表面,平均需要几百万到一千万年。可怜的光子!经过百万年的“挫骨削皮”,它早已变得面目全非了。那么我们该如何考虑太阳发射出的光呢?
    这要从统计的角度来考虑。按照目前的普遍看法,太阳是一个近似的黑体。所有照射到黑体表面的辐射都完全被吸收而不会反射,它发出的光线来源于其热辐射。所以只要有温度,黑体就会辐射出电磁波,电磁波的波谱服从普朗克定律。这就是所谓的黑体辐射。太阳表面温度为5000多摄氏度,下一页的插图显示的就是它辐射出的光谱。
    灰色的是大气层上方的太阳光谱,黑线是5250摄氏度的黑体辐射,黑色则是经过大气层吸收后海平面上测量的太阳光谱。
    我们可以看到,太阳光谱在可见光波段(390~700纳米)的强度是最大的。此外,在光谱上有“锯齿”,这是太阳表面大气中各种元素(例如氢、氦等)对光谱吸收的结果。
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    09.火箭在离开大气层后,朝后面喷射的火焰已经没有可以反弹的支撑物了,它在真空里为什么还能前进?
    这位提问者拥有这种不会随着时间消失的好奇心,是一个值得羡慕的人。这个道理叫动量守恒。比方说,你坐在一个小船上使劲往后面丢一颗沉重的铁锚。在丢出去的瞬间,你站的小船会开始向前运动。而小船向前运动的原因并不是水在推动小船。
    同样,火箭的尾部喷出大量的气体,并且这些气体温度很高,喷出去的速度非常快。它们就像丢出去的铁锚一样。这就是火箭前进的原因。
    火箭转向的办法有很多,可以靠尾部发动机喷嘴角度的微调,可以靠从侧面喷出气体反推,可以靠陀螺效应。
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    10.为什么说飞船在轨对接不可以在同一轨道?据说是因为轨道相同,速度相同,所以追不上。但是处于后方的飞船为什么不可以向后点火加速的同时向地球外侧方向点火(加大向心力),或者让前方的飞船减速?
    道理谁都懂……可是你知道这要多花多少钱吗?中石油在太空中又没有加油站。多装几吨燃料上去往往意味着要多消耗几百吨燃料(这个数字不一定精确,总之很多就是了),而这都是小头,关键是装那几百吨燃料的额外的一节火箭还是一次性的。而这也是小头,关键是多加了一节火箭,原来的比推啥的全乱了,好吧,只能重新设计研发整个火箭了。所以这个动作非常非常不经济。
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