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高二社团活动之宇 宙 探 秘主讲人：陈修斌社团活动章程1.指导教师：高二物理教师-陈修斌2.活动形式：以多媒体课件为载体，教师讲解相关内容为主体，和学生一起学习探讨宇宙的神奇与奥秘。3.活动宗旨：本社团的宗旨是：旨在拓展课堂所学的知识，开拓学生的眼界，激发学生学习物理的兴趣，丰富学生的业余生活。4.活动计划：本学期结合所学内容及学生已有的知识储备，拟按照一下计划开展社团活动：（1）9月10月，结合所学3-1的静电场，开展如宇宙射线、天体运动等相关内容。（2）10月11月，结合所学3-1的恒定电流，开展如航天飞机悬挂导线发电问题、太空电学实验问题等相关内容。（3）11月1月，结合所学3-1的磁场，开展如地磁场问题、月球磁场研究、极光现象的分析等相关内容。第一讲 宇宙射线发现1912年，德国科学家韦克多汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。 宇宙射线宇宙射线（cosmic ray）一般指约在46亿年前刚从太阳星云形成的地球。初生的地球，固体物质聚集成内核，外周则是大量的氢、氦等气体，称为第一代大气。 宇宙射线产生太阳系是在圆盘状的银河系中运行的，运行过程中会发生相对于银河系中心位置的位移，每隔6200万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘并不像飞盘那样圆滑，”科学家称，“它是扁平的。”当银河系的“北面”或前面与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。 宇宙射线的起源和传播宇宙线的起源通常指宇宙线中的主要成分各种原子核的发射和加速过程。宇宙线在空间中的运动和分布，属于宇宙线的传播问题。宇宙线的起源和传播问题是彼此密切相关的:加速和传播阶段不能截然划分开;相当一部分初级宇宙线原子核产生于传播过程中。 宇宙线的起源和传播是高能天体物理学中一个重要的问题。宇宙线是各种天体演化过程的产物，特别是各种高能天体物理过程的产物，携带着这些过程的丰富信息。 但是，宇宙线起源和传播的研究有许多困难：首先由于宇宙线带电粒子在星际空间传播过程中受到磁场的偏转,人们无法直接探知它们在空间的分布,只能由宇宙线在运动和作用过程中发射出的射电波、X 射线和射线间接地推断它们的存在。宇宙线在传播过程中，还同星际物质作用，不断改变其能量和组成，观测到的初级宇宙线成分和能谱，是由原始起源与传播过程共同决定的。从地球附近初级宇宙线推断产生源处原始宇宙线的情况，必须考虑宇宙线在传播过程中同星际物质的作用以及地球和太阳系磁场的调制,由射电、X射线和射线观测推断银河系内宇宙线粒子分布，也必须了解星际介质的分布情况；但是人们对于太阳系磁场和一些重要的星际介质（如星际氢分子）的认识还只是刚刚开始。此外，随着初级宇宙线观测的进展，现有核物理和高能物理知识（如原子核反应截面、长寿命放射性核素的衰变寿命和分支比）的不足，已越来越成为限制人们了解原始宇宙线的重要原因。 宇宙线高能粒子应起源于各种高能天体或天体高能过程。太阳和其他恒星表面的高能活动、超新星爆发、脉冲星、类星体和活动星系等，都可能是宇宙线源。目前人们普遍认为大多数宇宙线粒子起源于银河系内。太阳耀斑爆发等高能过程伴随着粒子的发射，但这种太阳活动只能产生太阳系空间宇宙线粒子的一个小部分，而且太阳粒子平均能量仅数十兆电子伏，大部分宇宙线应来自太阳系之外。银河系普通恒星的粒子发射只能产生银河系内宇宙线粒子的一个微不足道的部分，大部分宇宙线应产生于比普通恒星活动更剧烈的过程。 超新星爆发是银河系内最猛烈的高能现象。银河系超新星爆发的平均能量输出可以满足维持银河宇宙线能量密度的需要。蟹状星云等超新星遗迹强烈发射高度偏振的非热射电辐射，它们应当是高能电子在磁场中的同步辐射。超新星遗迹中存在着大量的高能电子，应当是宇宙线高能电子的发源地。人们普遍设想超新星爆发及其遗迹也应当发射高能原子核，成为宇宙射线的主要来源。宇宙线中氢和氦核的相对丰度较太阳系或银河系平均丰度小，表明宇宙线原子核可能来自恒星演化过程的晚期。宇宙线中重元素（例如Z60）较多,它们可能是超新星爆发条件下快速中子俘获过程（过程）的产物。宇宙线中一些元素的丰中子同位素较多，也表明宇宙线可能起源于超新星爆发形成的丰中子环境中。但是，迄今并无直接的证据说明超新星及其遗迹发射高能原子核。超新星爆发所释放的能量如何转化为粒子的动能，以及从很多超新星这样的分立源如何能形成宇宙线粒子的幂律能谱，都是超新星起源模型所面临的困难。对于初级宇宙线元素丰度的新近测量结果的分析表明，原始宇宙线重元素的相对丰度分布接近于太阳系的分布，与过程预期的分布差别甚大，也同超新星起源模型不一致。 E.费密曾于1949年提出宇宙线在星际介质中统计加速的机制：带电粒子在同随机运动的磁场不断地碰撞中得到加速。费密加速机制可以解释宇宙线的幂律能谱。但是,费密机制要求粒子另有初始加速过程,要求有足够的能量供给星际介质中磁场的运动；同时费密机制不利于加速重原子核,难以解释观测到的宇宙线丰度分布。近来的X射线观测发现，超新星遗迹中至少在104年内存在着强烈的激波。理论分析表明，星际介质中的激波可以有效地加速宇宙线粒子，而且可以产生幂律能谱。由超新星爆发等高能活动引起的较强烈的激波在星际空间高温稀薄气体中可能传播足够长的路程，使激波加速机制可能有效地加速宇宙线粒子。但是，近来发现原始宇宙线元素丰度分布与原子第一电离能密切相关：第一电离能愈低的元素，原始宇宙线丰度与太阳丰度之比愈大。所以，宇宙线起源和加速区域的温度不能太高(104开)，使超新星爆发和高温气体中的加速机制遇到了困难。X射线天文观测发现，银河系中为数众多的晚期恒星(K型和M型矮星)虽然光辐射微弱，但X射线发射和耀斑活动(从而粒子发射)的高能过程却仍然很活跃,因而可能是宇宙线的重要发源地。但它们发射出的粒子如何进一步得到加速，也是一个没有解决的问题。 银河系内产生的高能宇宙线粒子，如果自由地在空间中传播，则应在103104年时间内飞出银河系。由初级宇宙线元素相对丰度推得宇宙线粒子平均穿过的物质厚度约为5克厘米2，而银盘中星际气体的平均密度约为1氢原子厘米3，则宇宙线在银盘中的平均滞留时间约3106年，比自由粒子穿越银盘的时间长得多。所以星际空间中宇宙线粒子不是自由地传播而是在非均匀分布的星际介质中扩散，并且可能在银河系边界处受到反射。从初级宇宙线中一些长寿命同位素（如10Be）相对丰度推得的宇宙线平均寿命 (塼107年)比在银盘中的滞留时间长，所以银河宇宙线粒子在其寿命内的大部分时间中可能是在围绕银盘的某个物质稀薄的区域宇宙线晕中传播的。 目前人们关于银河系的知识和对宇宙线的观测，还不足以构成和判断细致的宇宙线传播模型。在处理与宇宙线传播效应有关的问题（例如从初级宇宙线组成和能谱推断原始宇宙线的组成和能谱）时，常采用一些简化的稳态传播模型，例如漏箱模型。漏箱模型假定银河系内宇宙线粒子密度不随时间和地点变化，宇宙线粒子在银河系内扩散，通过边界以一定的概率缓慢地向银河系外泄漏。 虽然自60年代以来,随着初级宇宙线以及射电、X射线和射线天文观测的进展，人们对于宇宙线起源和传播的认识在不断深入,但由于问题的复杂性,迄今尚未能得到较为满意的模型。人们对于极高能量宇宙线的了解就更少了；即使对于这部分宇宙线的成分，都还缺乏任何明确的认识。银河系磁场不能贮存能量高于 1018电子伏的粒子，银河系内起源的极高能粒子应当呈现高度的各向异性;但能量高于1018电子伏宇宙线粒子方向的各向异性度揥10,而且较多的粒子并非来自银河系中心,所以极高能宇宙线粒子可能起源于银河系外。由于河外星系的空间密度很低，河外区域必须存在比银河系强大得多的宇宙线粒子源，才能解释观测到的极高能宇宙线粒子流。 观测方式我们知道，宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制，其中一些最终穿过大气层到达地球。人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种，即：空间观测、地面观测、地下（或水下）观测。 大气层阻挡虽然当宇宙射线到达地球的时候，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度依然很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。 研究开始1903年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）（左图）和库克（H.L.Cooke）研究过这个问题。他们发现，如果小心地把所有放射源移走，在验电器中每立方厘米内，每秒钟还会有大约十对离子不断产生。他们用铁和铅把验电器完全屏蔽起来，离子的产生几乎可减少十分之三。他们在论文中提出设想，也许有某种贯穿力极强，类似于射线的辐射从外面射进验电器，从而激发出二次放射性。 1909年，莱特（Wright）为了搞清这个现象的缘由，在加拿大安大略（Ontario）湖的冰面上重复上述实验，发现游离数略有减小。 1910年，法国的沃尔夫（Father Theodor Wulf）在巴黎300米高的埃菲尔塔顶上进行实验，比较塔顶和地面两种情况下残余电离的强度，得到的结果是塔顶约为地面的64，比 他预计的10要高。他认为可能在大气上层有源，也可能是射线的吸收比预期的小。 1910-1911年，格克耳（Alfred Gockel）在瑞士的苏黎世让气球把电离室带到4500米高处，记录下几个不同高度的放电速率。他的结论是：“辐射随高度的增加而降低的现象比以前观测到的还要显著。” 这种源的放射性与当时人们比较熟悉的放射性相比具有更大的穿透本领，因此人们提出这种放射性可能来自地球之外这就是宇宙射线最初的迹象。 奥地利物理学家赫斯(Victor Franz Hess,1883-1964)是一位气球飞行的业余爱好者。他设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下，电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差。他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。他一共制作了十只侦察气球，每只都装载有23台能同时工作的电离室。 1911年，第一只气球升至1070米高，在那一高度以下，辐射与海平面差不多。翌年，他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时，电离度有些下降（地面放射性造成的背景减少所致），800米以上似乎略有增加，而后随着气球的上升，电离持续增加。在1400米2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空，辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是宇宙空间。 赫斯认为应该提出一种新的假说：“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现它可能是来自太空的穿透辐射。”1912年赫斯在物理学杂志发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文。 赫斯的发现引起了人们的极大兴趣，从那时开始，科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初，这种辐射被称为“赫斯辐射”，后来被正式命名为“宇宙射线”。当时，许多物理学家怀疑赫斯的测量，并认为这种大气电离作用不是来自太空，而是起因于地球物理现象，例如组成地壳的某种物质发出的放射性。现在认为，宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称。 1914年，德国物理学家柯尔霍斯特（Werner Kolhorster，1887-1946）将气球升至9300米，游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。 1922年，美国科学家密立根（Robert Andrews Millikan，1868-1953）（左图）和玻恩（I.S.Bowen）将这些实验拿到55000英尺的高空去做，为了解决这种辐射的来源，他们先是在高山顶上测量，后来又把装有验电器和电离器的不载人的气球升到高空来测量大气的电离作用。 1925年夏，密立根和助手们在加利福尼亚州群山中的Muir湖（缪尔湖）和Arrowhead湖（慈菇湖）的深处做实验，试图通过测量电离度与湖深的变化关系来确定宇宙射线的来源，之所以选择这两个湖，是因为它们都是由雪水作为水源，可以避免放射性污染；而且，这两个湖相距较远，高度相差6.675英尺，这样可以避免相互干扰和便于比较。 1925年11月9日，国家科学院在威斯康星州的Madison召开会议，密立根报告了测量的结果，他的结果表明，这些射线不是起源于地球或低层大气，而是从宇宙射来的，密立根同意当时大多数人的观点，认为宇宙射线是一种高频电磁辐射，其频率远高于X射线，是后者平均频率的1000倍。他认为，这种射线的穿透力既然比最硬的射线还强许多，当然不会由带电粒子组成。如果假定宇宙射线真是像阴极射线那样的带电粒子流，那它能穿透相当于6英尺厚度铅块的穿透力，将使这些粒子具有当时难以想像的高能量。如果假定宇宙射线由光子（即电磁辐射的量子）组成，那么宇宙射线辐射到地球时，其飞行路线将不受地磁的影响；相反，如果宇宙射线是由带电粒子组成，则它将肯定受到地磁场的影响，飞到高纬度地区的宇宙射线带电粒子将多于低纬度的地区，即有“纬度效应”(latitude effect)，而密立根的测量结果表明，宇宙射线来自四面八方，不受太阳和银河系的影响，也不受大气层或地磁纬度的影响。 1927年，斯科别利兹（Dimitr Skobelzyn）利用云雾室摄得宇宙射线痕迹的照片，根据径迹在云雾室里的微小偏转，第一次确认了宇宙线粒子径迹。 1927-1929年，荷兰物理学家克莱(J.Clay,1882-1955)在从荷兰到印度尼西亚爪哇岛的旅行中，发现了纬度效应的踪迹靠近赤道处宇宙射线强度比较低。 宇宙线探测方式直接探测法1014eV以下的宇宙射线，通量足够大，可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器，直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要人造卫星或高空气球运载，以避免大气层吸收宇宙射线。 间接探测法1014eV以上的宇宙射线，由于通量小，必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。 当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些重子、轻子及光子( 射线)。这些次级粒子再重复作用产生更多次级粒子，直到平均能量等于某些临界值，次级粒子的数目达到最大值，称为簇射极大，在此之后粒子逐渐衰变或被大气吸收，使次级粒子的数目逐渐下降，这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物，空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源，海拔20公里处辐射最强，100公里以上的太空辐射则以太阳风及宇宙射线为主。 第二讲太空中的生命实验2001年，欧洲航天局宣布，一个由瑞士、意大利和德国科学家组成的研究小组准备在国际空间站上进行人造软骨研制实验。如果实验成功，这将为全世界成千上万的膝盖骨损伤患者的康复提供新的治疗手段，并将成为人类在太空生物实验领域迈出的重要一步。 软骨试验有望在太空实现 由于重力的作用，在地面进行人体组织培养时，培养物往往沉在容器的底部，因此很难获得与人体自然组织密度相同的组织。科学家早在几年前便设想在空间站的微重力环境下获取理想密度的培养组织。 欧洲航天局表示，在空间站上研制人造软骨的一期实验预计于明年进行，目的是确定在空间决定细胞组织发育的关键因素，了解细胞组织的发育机理。欧洲科学家们此后还将进行多次实验，并在地面上验证在微重力环境下获得的结果，实现人工合成临床治疗所需软骨组织密度相同的组织。科学家早在几年前便设想在空间站的微重力环境下获取理想密度的培养组织。 欧洲航天局表示，在空间站上研制人造软骨的一期实验预计于明年进行，目的是确定在空间决定细胞组织发育的关键因素，了解细胞组织的发育机理。欧洲科学家们此后还将进行多次实验，并在地面上验证在微重力环境下获得的结果，实现人工合成临床治疗所需软骨组织的设想。 在空间站“骑车” 自人类步入太空以来，研究生命机体在宇宙空间的生理反应一直是科学家开发与探索太空的重要课题，其中最基础的一项研究便是了解“失重”对人体的影响。尽管在进入太空前已接受过多种抗失重的训练，但在太空，宇航员一般仍需要几周甚至几个月来适应空间站的生活。科学家们发现，宇航员在初入太空时，大脑里还保存着对重力的“惯性记忆”，每个动作中都“加入了抵抗地球引力作用的能量”，因此总是“用力过猛”。为使宇航员保持上下左右的方位感，空间站的内部构造和装饰都经过了特殊设计，可宇航员仍常常将屋顶和地板混为一谈。1998年进入“和平号”空间站的法国宇航员埃雅尔称，“我以前一直习惯俯身睡觉，但到太空后，无论怎么变换姿势，总觉得是仰着睡的。” 为维持人体各器官组织在太空中的正常“运转”，宇航员们必须每天在空间站里进行两小时体育锻炼，如骑自行车或蹬“移动地毯”。由于没有地球引力的束缚，宇航员在太空的运动也不像在地球上那样自如。他们需要用绳子将自己固定在空间站的设备上，再穿上特制的裤子，使体内的血液从头往脚循环，以求取得同在地球上锻炼一样的生理效果。这些运动可以基本维持心脏、动脉等器官的正常“运转”，但却不能防止骨头的萎缩。据统计，宇航员在一次太空旅行中将损失1%至10%的骨架，这部分骨头在地球上再生的周期通常比在太空中的时间长许多。 “太空综合征”催人老 1997年6月，“和平号”空间站同太空物体相撞后，俄太空专家认为，事故原因是当时驾驶空间站的宇航员患上了“运动失调综合征”，即宇航员对距离和物体运动速度的估测发生偏差。欧洲航天局的资料显示，这种“太空综合征”在宇航员身上有不同程度的反应，最明显的是宇航员难以抓住一个起伏跳动的皮球，但最可怕的是它将加速人体器官组织的老化过程。 为研究失重是如何使人衰老的，科学家将一些特制的仪器带上了太空。比如，为了解骨质疏松的过程，科学家专门研制了一种带X射线的便携式密度探测器，以便于在太空测量人体骨头密度的变化。在医学领域被广泛使用的超声波技术如今也被用于测量人体在失重环境下的血液循环。科学家发现，人体在太空的血压可通过自身机体来调节，无需借助任何辅助设备。这一结论的得出有助于预防和减轻宇航员返回地球后对气压和重力的不适，以及可能由此出现的晕厥等症状。 “微重力”环境：一个全新的实验室 为研究生命机体如何适应宇宙环境，科学们将一些小动物带上了太空实验室。法国国家太空研究中心1997年称，蝾螈的幼虫可以在外层空间孵化，并在失重的环境下通过“游泳”的姿势运动。次年，法国宇航员在太空中进行了一项名为“费尔特”的实验，通过向雌性蝾螈注射荷尔蒙使其产卵，将卵子发育过程用特制的摄像机拍下来，带回地球研究。1999年4月，法、俄宇航员在“帕尔苏使命”实验中将8只两栖类动物带上国际空间站，观察其神经系统的再生和发育、内耳的生长和精子的产生过程等，研究它们在失重环境下的生理反应。该实验的总结报告称，两栖类动物是最适合在太空失重环境中生存的动物。 实际上，由于地球引力的作用，一些生物实验很难在地球上获得理想的效果，而太空的“微重力”环境为人们提供了一个全新的实验场所，使很多在常规思维中不可能实现的研究成为可能。在“和平号”空间站为期15年的太空之旅中，科学家进行了2.3万次实验，在细胞组织、血压和心血管系统的变化、骨头和肌肉的萎缩、神经系统的紊乱等项目的研究上取得了一些突破，并为在微重力环境下进行同类实验提供了不少珍贵的参考数据和资料。第三讲地磁场及其应用1、探测地磁场通常，我们认为地磁场很弱，除了指南针指向南北的事实外，人们几乎感觉不到地磁场的存在.事实上，我们完全可以利用课本上学到的知识初步探测地磁场的强弱.动手做将长约15 m的铜芯双绞线两端接在灵敏电流计上，拉开形成一个长回路.面对面站立的两位同学像甩跳绳那样以每秒4到5圈的频率摇荡半个回路(图1783).随着导线切割地磁场，回路中就有感生电流产生，电流计指针指示的电流最大值可达03 uA细心的同学会注意到随着导线的来回摇荡，电流计的指针也在来回摆动.显然，这是由于上下摇荡半个回路时，导线切割地磁感应线的方向不同，从而导致回路中感生电流的方向不断变化.为进一步准确读出感生电流的数值，可将灵敏电流计换为微电流放大器.如果用小磁针或磁罗盘事先确定好地磁方位角，转轴(即两同学连线)沿南北方向摇荡半个回路时产生的电流与转轴沿东西方向时导线做同样运动产生的电流有明显差异.通过比较可发现，转轴沿东西方向上下甩动半个回路时产生的感应电流更大一些.这表明地磁感应线是沿南北方向的，且地磁感应强度的水平分量更大一些.算一算量出面对面站立的两同学间的距离L，L可认为是导线切割地磁感应线的有效长度；测出两同学手臂到地面的高度h；记录下上下摇荡半个回路的频率f；量出铜芯双绞线的总电阻R；记录下电流计指示的最大电流I，即可估算出地磁感应强度B来.导线切割地磁感应线的有效速度为vh2hf回路中的感应电动势澹紹LvBLv=BLhf回路中的感应电流I/RBL2hfR所以地磁场的平均强度为BIR2hfL一般情况下，地理位置不同时，地磁感应强度略有差异，总的地磁感应强度约为5105 T，远小于常见的永久磁铁两极附近04 T到07 T的磁感应强度.用上述方法估测出地磁感应强度后，还可进一步用小磁针测出地磁场的方向.细心的同学会发现支在重心下方的小磁针与水平方向有一个小的夹角，磁针的指北端向下倾斜，指南端向上翘起.磁针与水平方向的夹角叫磁倾角.地理位置不同时，磁倾角也不同，它可在090的范围变化 .想一想我国南沙群岛附近的磁倾角接近多少度？地球两极处磁倾角约为多少度?在北半球，小磁针的指北端会下倾斜还是向上翘起？南半球的情况又如何?2、地磁场的应用地磁发电前面的实验可作为地磁发电的例子.另据报道，1992年7月，美国“阿特兰蒂斯号”航天飞机进行了一次卫星悬绳发电实验.航天飞机在地球赤道上空离地面约3 000 km处自东向西飞行，相对地面的速度大约65110 ms.从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星，携带一根长20 km，电阻为800的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动.假定这一范围内的地磁场是均匀的，磁感应强度约为4103T，且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同.根据理论设计，通过电离层(由等离子体组成)的作用，悬绳上可产生大约3 A的感应电流.悬绳产生的电动势可达到Lv4102010651035 200 V悬绳两端的电压为UIr5 200-38002 800 V航天飞机绕地球一周悬绳输出的电能为WUItUI2(R地h)v2 80032314(6 4003 000)10(6510)76108 J实验取得了部分成功.地磁探矿据测算，地磁场的变化有一定的规律性.比如在我国境内，每向北走一公里，地磁感应强度的变化约为一亿分之几特.小范围内地磁感应强度和磁倾角几乎没有什么变化.但是，有时地磁场的变化非常明显，有的地方会出现磁针反常现象，磁针不再指向南北方向.在某些山区，磁针甚至变成直立状态.这种电磁场的剧变称作地磁异常.显然，出现地磁异常的区域，地下一定蕴藏着丰富的磁铁矿.我们可以根据地磁异常现象来探测磁铁矿区.1954年，我国一支地质探矿队发现，在山东某个地区面积大约四平方公里的范围内，地磁感应强度异常极大值达到了3510-6 T.地质队员们推测，这里一定是一个储量较大的铁矿.经过钻探发掘，最终在地下450 m深处发现了总厚度达6254 m的磁铁矿区.随着人们对地磁场研究的深入，地磁探矿的应用越来越广.地质学家们已经能够广泛应用地磁探矿来寻找铁、钴、镍、金以及石油等地下资源了.地磁预报地壳中的岩石，有许多是具有磁性的.地震发生时，这些岩石受力变形，它的磁性也随之变化.在强烈地震前夕，地磁感应强度、磁倾角等都会发生变化，造成局部地磁异常，这就是所谓的“震磁效应”.掌握了震磁效应的规律，利用测量仪器监测地磁变化，就可以根据震磁效应对地震做出较准确的预报.解释自然现象我们知道，太阳活动如太阳黑子、耀斑等的出现具有一定周期性.长期的天文观测表明，太阳黑子总数变化的周期约11年.当太阳黑子活动剧烈的时候，太阳喷射出大量兆电子伏能量级的带电粒子(电子、质子、离子等).这些带电粒子在掠过地球时，有许多被地磁场“捕获”.带电粒子掠过地球时形成的磁场造成地磁场和地球外围电离层的剧烈变化，从而出现无线电短波衰减和通讯中断等异常现象，这就是所谓的地磁暴.地磁暴发生时，在一些高纬度地区，尤其是极地上空会出现瑰丽壮观的极光.这是由于被地磁场“捕获”的大量带电粒子流在地磁场的偏转作用下，沿螺线路径朝地球的磁极运动(图1784).高速运动的高能电子或质子撞击地球大气中大量的氧、氮及其它惰性气体原子，并把能量传给气体原子的外层电子，这些电子紧接着又把获得的能量以光的形式释放出来，如氧发红光，氩发蓝光等.这就是产生极光的原因.另外，在船舶和飞机航行的时候，人类是靠磁罗盘测得的地磁方位角配合地磁场图来导航的.不只人类，许多动物的飞行和迁徙也是靠地磁场来“导航”的，如鸽子、海豚、海龟等.第四讲核能与核电站一、核能及其机理 1原子的组成原子是由质子、中子和电子组成的。世界上一切物质都是由原子构成的，任何原子都是由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。一个铀-235原子有92个电子，其原子核由92个质子和143个中子组成。50万个原子排列起来相当一根头发的直径。如果把原子比作一个巨大的宫殿，其原子核的大小只是一颗黄豆,而电子相当于一根大头针的针尖。一座100万千瓦的火电厂，每年要烧掉约330万吨煤，要用许多列火车来运输。而同样容量的核电站一年只用30吨燃料。2. 原子核的结构原子核一般是由质子和中子构成的，最简单的氢原子核只有一个质子，原子核中的质子数（即原子序数）决定了这个原子属于何种元素，质子数和中子数之和称该原子的质量数。3. 同位素质子数相同而中子数不同的一些原子，或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子，它们在化学元素周期表上占据同一个位置，称为同位素。所以，“同位素”一词用来确指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。 同位素按其质量不同通常分为重同位素(如铀-238、铀-235、铀-234和铀-233）和轻同位素（如氢的同位素有氘、氚）。4. 核能在50多年前，科学家发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出23个中子和大量的能量，放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多，这就是核裂变能，也就是我们所说的核能。原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，而核电反应堆也是利用这一原理获取能量，所不同的是，它是可以控制的。5.轻核聚变两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫轻核聚变反应。它是取得核能的重要途径之一。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行，故称为“热核聚变反应”。氢弹是利用氘氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量起杀伤破坏作用，正在研究受控热核聚变反应装置也是应用这一基本原理，它与氢弹的最大不同是，其释放能量是可以被控制的。6铀的特性及其能量的释放铀是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素构成:除了0.1的铀-235（235是质量数）、微量铀-234外，其余是铀-238，铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。也就是说1克-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。7. 核能如何释放核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。-235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时，它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生23个中子和、等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，这就是裂变链式反应，在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。8. 核聚变能量的释放与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂（i-6）完全反应所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻，即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。 二、核电站 1. 什么是核电站核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快堆等。但用的最广泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。2. 核电站工作原理核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。3. 压水堆核电站以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统，其形式与常规火电厂类似。4. 沸水堆核电站以沸水堆为热源的核电站。沸水堆是以沸腾轻水 为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点。它们都需使用低富集铀作燃料。沸水堆核电站系统有：主系统（包括反应堆）；蒸汽-给水系统；反应堆辅助系统等。5. 重水堆核电站以重水堆为热源的核电站。重水堆是以重水作慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式两类。重水堆核电站是发展较早的核电站，有各种类别，但已实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核电站。6. 快堆核电站由快中子引起链式裂变反应所释放出 来的热能转换为电能的核电站。快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增殖。目前，世界上已商业运行的核电站堆型，如压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚-239等易裂变材料，它对铀资源的利用率也只有12，但在快堆中，铀-238原则上都能转换成钚-239而得以使用，但考虑到各种损耗，快堆可将铀资源的利用率提高到6070。7. 世界上目前建造核电站情况核电自50年代中期问世以来，目前已取得长足的发展。到1999年中期，世界上共有436座发电用核反应堆在运行，总装机容量为350676兆瓦。正在建造的发电反应堆有30座，总装机容量为21642兆瓦。目前世界上有33个国家和地区有核电厂发电，核发电量占世界总发电量的17，其中有十几个国国家和地区核电发电量超过各种的总发电量的四分之一，有的国家超过70。据资料估计，到2005年核电厂装机容量将达到388567兆瓦。8.核能是清洁的能源目前环境污染问题大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃烧会放出大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害气体造成的“温室效应”，将使地球气温升高，会造成气候异常，加速土地沙漠化过程，给社会经济的可持续发展带来灾难性的影响，核电站并不排放这些有害物质，不会造成“温室效应”，与火电厂相比，它能大大改善环境质量，保护人类赖以生存的生态环境等。三、我国核电现状我国大陆正在运行的核电站有2座，总装机容量为210万千瓦，它们分别是由我国自主设计建造的秦山核电站和从法国引进的大亚湾核电站。目前正在建设的核电站有4座共8台机组，总装机容量为660万千瓦。他们分别是：我国自主设计、建造的秦山二期核电站共两台机组，分别计划于2002年6月和2003年4月投入商业运行；从加拿大引进的秦山三期核电站共两台机组，分别计划于2003年2月和2003年11月投入商业运行；从法国引进岭澳核电站共两台机组，分别计划于2002年7月和2003年3月投入商业运行；从俄罗斯引进的田湾核电站共两台机组，分别计划于2004年投入商业运行。到2004年，这11台核电机组全部运行时，核电将占总发电量约3，这一数字与发达国家相比，还有较大的差距。秦山一期核电站秦山一期核电站位于浙江省海盐县境内，它是我国自行设计、建造的第一座核电站，该电站于1985年3月主体工程正式开工，1991年12月15日并网发电。它的建成是我国核工业历史上一个新的里程碑，它结束了我国大陆无核电的历史。秦山一期核电站属原型堆，它采用压水堆堆型，设计电功率为30万千瓦。工程总体设计及核岛工艺和主设备设计全部由国内设计院承担，核电站大部分设备由国内供货，土建及安装施工完全由国内单位承担。电站自1994年投入商业运行以来，负荷因子逐年提高，接近了国际商用核电站的水平。大亚湾核电站大亚湾核电站是我国第一座成套进口的大型商用核电站，它位于广东省深圳市东部的大鹏半岛上，西南距香港市中心约50公里，西距深圳市中心约45公里，便于向粤港两个电网输送电力。该电站装有两座电功率为90万千瓦的三环路压水堆核电机组，采用法国成熟的标准系列CPY型的改进型M310反应堆。1987年8月电站主体工程正式开工，1994年两台机组先后建成投产。大亚湾核电站年发电量约130亿度，电力70%供香港，30%供广东，自投产以来取得了良好的社会效应和经济效益。秦山二期核电站秦山二期核电站是继秦山一期核电站后，由我国自行设计、自主建造的又一座核电站。该电站设计装机容量为两台60万千瓦机组，反应堆为压水堆堆型，核岛采用两个环路，每个环路按电功率30万千瓦设计。秦山二期核电站总工期为72个月，整个工程计划于2002年6月第一台机组并网发电，2003年4月第二台机组并网发电，电站设计寿命为40年。秦山二期核电站于1996年6月2日正式开工，按工程网络进度，工程主线进展顺利，现在一号反应堆主厂房正全面实施安装工程，二号反应堆主厂房也已进入安装工期，调试和生产准备工作也正按计划全面展开。该电站的建成，对缓解华东地区的电力需求，优化电力结构具有一定的作用，同时为我们掌握大型压水堆核电站的设计、建设、设备制造、运营和管理技术，最终实现国产化打下了基础。秦山三期核电站秦山三期核电站工程位于浙江省海盐县，与秦山一期核电站、秦山二期核电站工程毗邻，它是中加两国政府和平利用原子能的合作项目，是中国境内建造的第一座重水堆核电站，同时也是迄今为止，中加合作最大的工程项目。该电站采用加拿大成熟的CANDU6核电技术，由加拿大原子能有限公司（AECL）总承包，从加拿大引进两台70万千瓦级重水堆机组。为降低造