人造超高压强的诞生

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近日据英国《新科学家》杂志报道,美国一座为获得核武器模拟聚变数据而建的巨大的激光点火装备,其压强比大气压高10亿倍,不久将被用于探索太阳系外行星的秘密。这是人造的超高压强。
这个巨大的激光点火装备修建在美国加利福尼亚州劳伦斯·利沃莫尔国家实验室内。它的紫外线激光器在20纳秒的爆发过程中,功率可达500万亿瓦。将用该装置向一个直径为800微米的铸铁射击。它产生的高温将使这块金属迅速蒸发,强大的气流产生的冲击波将穿过该金属内部,经过压缩,使它的压强比大气压高10亿倍。
这个月早些时候,宣布,美国国家点火装置已为这项任务做好充分准备。并将为新科学探索开启希望之门。通过此次的太阳系外行星普查任务,这个装置的优点将会显露出来。美国加州大学伯克利分校的天文学家雷蒙德·吉恩洛兹,将利用该装置重现木星和其他大行星的内部环境,这些行星的内部压力可能比地球中心的压力高1000倍。他希望通过测量该金属在这种压力作用下的晶体结构和熔点变化,可以弄清楚我们在过去20年间发现的数百颗巨大的太阳系外行星的形成过程。他说:“天文学家还从没对这些行星的化学成分进行过调查。以前在实验室里根本无法做这方面的模拟试验。”
明年,劳伦斯利沃莫尔国家实验室的科研组将开始试验,最终他们将进行一次更大规模的撞击。他们将利用激光使一个氢同位素球体里发生聚变反应。虽然其他试验已经引起聚变反应,但是它们都不是自持反应。劳伦斯利沃莫尔国家实验室的国家点火装置产生的能量,足以使聚变反应在用完燃料后才会结束。科学家将利用该实验反馈的数据,设计一座商用核聚变电站。相同的反应还将对处理美国储存的核武器有帮助。现在距离美国首次试验核武器已有15年。工程师利用电脑模拟,确定弹头是否能正常运转,但是电脑模型必须根据从国家点火装置的聚变反应等试验获得的数据进行校正。
大家都知道,由于地球表面被一层厚厚的大气层所包围,地球表面的大气压由此产生。常说的一个标准大气压为1.013×105帕,即在 一平方米面积上受到10.13吨的压力。当然由于人体内部也具有与大气压对等的压强,由此人体才没有被大气压压扁。
曾经有一年的全国高考物理试题出过一道与大气压有关的试题:已知地球的平均半径为6400千米,试估算地球大气的物重。
本题的思路就是从大气压就是由大气物重产生的出发,若取地球表面均为一个标准大气压p,地球表面积S若能求的话,地球大气的物重G即可求出。
从以上计算的数值看,地球大气的物重还是相当惊人的。
意大利物理学家托里拆利早在十七世纪中期,利用实验测得一个标准大气压可以支持760mm汞柱。世界各地的大气压会随着气候变化、海拔高度而不同。一般来说,海拔高度每升高12米,大气压就会减小1mm汞柱。这是因为随着海拔高度的增加,大气越来越稀薄。
液体内部由于本身自重也存在有压强。我们可以进行这样的计算:根据液体压强公式 p = ρgh,其中ρ为液体的密度,g为重力加速度,h为所研究处的深度。首先由公式,我们可以得到这样的结论——在同一种液体中,液体压强与所处深度成正比,及p∝h。对河水、湖水内部的压强,我们可以这样来计算,若水深1米(水的密度为1×103千克/米3),那么由于水的自重所产生的压强 p = ρgh = 103×9.8×1 = 9.8×103(帕),此数值约为标准大气压值1.013×105帕的十分之一,因此往往估算时可取10米水深处,由于水的自重所产生的压强约为1个大气压。依此类推,N米水深处,由于水的自重所产生的压强约为N/10个大气压。考虑水面上尚有大气压,那么水深N米处的压强为N/10 + 1个大气压。
世界上海洋最深处是位于菲律宾附近的马里亚纳海沟,深11034米,现在就可以估算在那个深度的压强。海水密度较水的密度略大(海水密度与海水的盐度、温度有关,在赤道处由于温度高,盐度低,因此海水密度较小,为1.023×103千克/米3,在两极处由于温度低,盐度高,因此海水密度较大,为1.027×103千克/米3)。为估算方便起见,海水密度就取水的密度数值。根据水深增加10米,压强就增加1个大气压,那么深度为11034米的马里亚纳海沟底,其由于海水自重产生的压强约为 1103个大气压,再加上海面上1个大气压,那么深度为11034米的马里亚纳海沟底的压强就约为1104个大气压(这个数值的压强也只有人造超高压强10亿大气压的百万分之一)。海沟底处上千数值的大气压,不知是否还有生物在那里生存?