中学视域下的近代物理事例

晏志武

(临沧巿临翔区一中 云南 临沧 677000)

近代物理包括相对论和量子力学，其中狭义相对论描述高速运动(接近光速)物体的性质，广义相对论研究大质量物体的引力，而量子力学则是专门针对微观粒子的理论.这些似乎都与中学课程和日常生活相隔甚远，一般人仿佛不可能接触到与近代物理有关的事物.其实不然.只要注意阅读科技刊物，留心观看科普报道，再加上一点点查寻和思考的能力，就会发现还真有不少与近代物理有关的物理事例，它们或是肉眼看到的现象,或是已使用多次的产品.以下几个实例，可证此言之不谬.

1 铅蓄电池与狭义相对论

铅蓄电池是一种结构简单、价格低廉而又功能强大的化学电源.它就是将二氧化铅极板(正极)和铅极板(负极)放在稀硫酸溶液里，却可以在两个极板间形成2.1 V的电压，产生80～400 A的强劲电流.其离子反应式为

PbO2+4H++2e_=Pb2++2H2O

此式也很简单.但让科学家们长期困惑的是,电化学计算的铅蓄电池电能值仅为实际值的20%，另外那80%的能量又是从哪里来的呢？难道作为平常之物的铅蓄电池会违反能量守恒定律吗？答案最终在

和

E=mc2

这两个著名的狭义相对论公式中找到了.事情是这样的,一般来讲，原子间的化学反应主要取决于离原子核最远的外层电子，与内层电子无关.外层电子所受的原子核引力很弱，无需为保持距离而快速旋转，狭义相对论的质量变化效应完全可以忽略.铅蓄电池的特殊性在于，铅电极释放的电子属于外层电子，但此电子被二氧化铅电极捕获后却跑到了更接近铅原子核的轨道上，以更快的速度运行.而碰巧的是，铅原子核是包含82个质子的“重核”，强烈地吸引可使铅原子外层电子速度达到光速的1%，离原子核最近的电子速度更是高达光速的60%.根据上列“质量公式”和“质能方程”，电子在铅极板时处于较低速度的外层，狭义相对论效应引起的质量变化很小.但此电子到达二氧化铅极板后却处于很高速度的内层，质量会显著增大，能量随之大幅增多.也就是说，电子从铅电极离开时付出的能量很少，为二氧化铅电极带来的能量却很多.经过瑞典乌普萨拉大学和芬兰赫尔辛基大学的化学家计算，狭义相对论效应刚好能够解释铅酸蓄电池多放出的那80%的电能.

其实，由于原子量较大、相对论效应明显，元素周期表中第5周期以后的元素与前面周期的元素在物理性质和化学性质上有许多差别.比如，金元素能形成Au2分子和Au-离子(与卤素相仿)，金负离子被认为是一种拟卤素离子；又如，气相汞与其他金属不同，它大部分以单原子形式存在，被称作伪惰性气体.

2 GPS与相对论

GPS是由几十颗卫星组成的全球定位系统，现已被广泛应用于军事、交通、科技等领域，许多汽车上都安着它的地面接收装置.可是您知道吗，GPS定位实实在在地用到了相对论的原理.是这么回事.狭义相对论的时间公式

表明高速物体上的时间流逝会慢一些,而广义相对论认为引力小的地方时间过得要快一些.因为GPS确定位置是依靠卫星上面的原子钟提供的时间来实现的(时间乘以光速即为距离)，导航定位的精度取决于原子钟的精度，所以，要提供准确的卫星定位服务就必须考虑上述相对论效应.一方面，每个GPS卫星速度约为1.4×104km/h，它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7 μs；另一方面， GPS卫星位于距离地面大约2×104km的高空，其原子钟由于引力较小而每天比在地球表面的原子钟又要快45 μs.两者相减，星载时钟每天大约比地面时钟快38 μs.为了校准两处的时间，卫星时钟每秒都要和地球时钟核对一次.

3 强雷暴与粒子加速器和反物质

粒子加速器是高能物理研究的重要设备，其结构复杂，造价高昂，公众难得一见,而反物质(正电子、反质子等)则更是稀罕之物，在地球自然界根本就没有.可是，粒子加速器和反物质又没有想像的那么遥不可及.

早在1925年，英国物理学家瑞斯·威尔森(Charles Thomson Rees Wilson)就猜测雷暴可以形成天然的粒子加速器.当雷暴产生的强烈闪电与来自宇宙线的高能粒子混合时，就为雷雨云上空巨大的粒子加速器形成提供了适当的条件,即宇宙线会使大气分子电离，电离出来的自由电子又被闪电电场向上加速至接近光速，在其冲向高层大气时，引发轫致辐射产生伽马射线，能量达到1.022×106eV的伽马射线光子能够产生正、负电子对

反物质(正电子)就此出现，且正负电子的能量均为

E=mec2

代入数据得

E=8.19×10-14J=5.11×105eV

产生两个光子才能同时遵守能量守恒和动量守恒定律.虽然这些高能事件从开始到结束只是一刹那，但产生的电子束的能量却与一座小型核电站不相上下.有一件真实发生的事情可以证明上述推论的正确性.

2009年12月14日，美国国家航空航天局(NASA)的物理学家迈克尔·布里格斯(Michael Briggs)发现费米太空望远镜传来了一次比通常宇宙辐射强得多的5.11×105eV伽马射线闪(TGF)，这意味着探测到了大量正电子.射线如此之强说明来源非常之近， 就在地球附近.仔细查对当时的气象资料后，科学家得出了一个出乎意料的结论.那时，费米太空望远镜正处于埃及上方560 km处，一场强雷雨风暴恰在其视野之外的赞比亚上空形成.“雷暴粒子加速器”促成了一次伽马射线闪，高能伽马光子又产生出许多正、负电子对，有些向空中逃逸的正电子在地磁场的作用下击中了几千 km外费米太空望远镜中的电子，正、负电子相撞产生的5.11×105eV伽马射线又被望远镜中近在咫尺的仪器逮个正着，射线强度当然十分了得(有兴趣的学生可以对着地球仪，用左手定则判断一下朝哪个方向运动的正电子才能在地磁场的作用下，从赞比亚跑到埃及上空).迈克尔·布里格斯及其同事重新分析了费米太空望远镜的以往记录，找到了77条能量高于1.022×106eV的伽马射线闪数据，它们全部来自地球而非遥远的星空.雷电无疑是地球上除宇宙线、放射性物质、大型粒子加速器之外的又一个反物质来源.将于2015年升空的闪电辐射分析卫星(TARANIS)将把探测器对准地面，专门捕捉雷电产生的伽马射线闪和反物质.

4 光合作用与量子力学

光合作用是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水(细菌为硫化氢和水)转化为有机物，并释放出氧气(细菌释放氢气)的生化过程.这个过程对于绝大多数生物来说都是至关重要、不可或缺的，因此，光合作用历来是科学家们关注的焦点.

某些藻类和细菌能够把太阳能以几近100%的效率转移到光合反应中心，并转化为化学能.其速度之快使太阳能的传递几乎就在瞬间完成，所以,很少有能量以热的形式耗散掉.这个发现和光合作用的经典论述相悖.传统上认为,光能从聚光色素分子到反应中心分子是一步一步跃迁的，每一步都会有能量损失，效率不可能太高.光合作用中近乎无损耗的能量传输到底是如何实现的呢？2007年，美国加州大学伯克利分校化学家格拉汉姆·弗莱明(Graham Fleming)领导的研究团队找到了原因.他们认为，光合作用的过程必须用量子力学才能准确表述.击中一个细菌或藻类“色素天线分子”的光子会激起一波一波带能量的粒子——应激子(特定频率的电子振荡)，就像石头落入池塘会激起波纹一样.这些应激子是相干的(频率相同、相位差固定)，相干量子波能够同时以两种或多种状态存在，因此，它们可以同时探测到多个可能的路径，并自动选择最有效的路径到达光合反应中心.科学家以一个通俗比喻来解释这种情况,如果下班高峰时驾车回家有三条可选路线，你只能走其中一条，但却不知道此时其他的路线是否会更快或更慢一些.然而,对于量子力学来说，你可以让这三条路线同时进行来找出最短路线,无需指出你身在何处，就能选到做功最少的路线.

对于光合作用中量子效应的理解，使科学家有望发明一种原理类似的高效太阳能设备，为解决能源危机开创一条绿色环保的道路.

上面几个实例充分说明，科学并不是与公众隔绝、与百姓无关的事物.科学影响着人们的生活，科学决定了人类的未来.同学们，老师们，我们是不是应该对科学技术多一分热情，多一些关注，多一点思索呢.