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把NIF级别的激光聚焦到一个质子上会出现什么样的效果

2019-11-04 23:05:27

谢邀。这个回答挺耗时间,不过我正好在美国参加激光打质子靶的实验(不是NIF),科普一下吧。美国国家点火装置(NIF)的主要实验是用多束激光从四面八方聚焦到中心直径为3毫米的氘氚小丸子上,这些脉冲激光是紫外光,在聚焦到装着氘氚的小丸子外壳时能产生X光,这些X光将把燃料加热加压,使氘(氢原子的同位素,一个质子加一个中子)和氚(氢原子的同位素,一个质子加两个中子)发生核聚变并释放能量。如果把NIF的激光聚焦到氢原子的小丸子上(氢原子是一个质子,不含中子),那也能实现核聚变,不过在我印象中,氢原子聚变释放的能量没有它的两个同位素聚变释放的能量要高。上面提到氢做成的“小丸子”,这是由很多很多氢揉成一团的小丸子,尺寸达到3毫米(写到这里有点饿怎么回事)。那么目前的技术手段,能否将激光束聚焦到一个质子的尺寸呢?呃,目前的技术手段做不到……如果聚焦到这么小的尺度有困难,那么不妨缩短激光的波长,假设是X射线级别的激光。如果激光的功率更高会怎么样呢?像题主所说,减小激光的波长,增大激光的频率,NIF也正是用紫外光激发出X光,用于实验。如果激光的功率更高会怎么样呢?这是NIF继续改进的目标,在相同时间内,总能量等于功率乘以时间,E=Pt,更高功率的激光可以获得更大的总能量,使氘氚聚变更容易进行。功率可以认为是单位时间内所有光子的能量之和,NIF上提高功率的主要方法是争取在单位时间内获得更多的光子数,虽然单个光子的能量基本不变,但是人多力量大啊,大量光子的总能量还是高。NIF上的单光子能量处于keV量级,属于X光,X光来源于原子的内层电子能级跃迁。美国国家点火装置NIF在宣传时想搞个大新闻,说自己有“世界上能量最高”的激光装置,这里的“能量最高”其实更多是指他们的激光装置所能达到的总功率,而不是单个光子的能量,别被他们绕晕了。。话说美国的杰弗逊国家实验室JLab在宣传时也号称自己有“世界上能量最高”的激光装置,当然详细的定语是“世界上亮度最高、最稳定的极化光子束流”。来来来,你们俩打一架,看谁能量最高。不过美国厉害的实验室真心多,希望中国也能有这天。=========如果提高单个光子的能量达到MeV,甚至GeV量级,就得到了高能γ光(γ,读作“伽马”gamma),γ光来源于原子核的能级跃迁。根据γ光子的能量由低到高,γ光与物质的相互作用主要分为3种:1、γ光能量较低时,光电效应占优势。对的,就是让爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖的那个光电效应(注:γ光可以引起光电效应,但光电效应的发生不一定需要γ光,其它合适能量的光也可以引起光电效应)。光子的全部能量传递给物质的原子,光子被完全吃掉,消失了。原子的某一个束缚电子吃饱之后有力气逃离原子核,成为一个得瑟的自由电子。下图来自网络,光子Eγ的能量Ek被吸收,放出一个电子e-。2、γ光子能量提高时,康普顿散射占优势,物质原子把光子吃掉之后,消化了一部分光子能量然后嫌弃别人不好吃,又吐出半消化的光子。光子没有消失,但是能量降低了。下图来自网络,入射光子Eγ1损失一部分能量Ek,变成出射光子Eγ2。3、如果γ光子的能量达到了两倍电子质量以上(1.02MeV),电子对效应占优势,光子在跟物质合体之后虽然消失了,但会生出一个电子和一个正电子。下图来自网络,入射光子photon变为正负电子对。=========如果γ光子的能量继续提高,比如说提高到了GeV量级(1GeV=1000000000eV),这时让光子打到质子上会发生什么?质子会被光子击飞!不仅如此,在这个过程中,光子的能量被吸收,可以生出电子,还能生出更重的粒子,什么K介子、π介子等等都来了,还要啥自行车。。光子的内心os:我一个弱不禁风的小蚂蚁,怎么打飞了质子那个大胖子呢。一个光子的命运啊……没事没事,中秋节就给大家分享两句诗吧:。。。。海上生明月,天涯共此时。祝大家中秋节快乐!

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