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光在人间(2)
http://www.100md.com 2015年5月1日 《百科知识》 2015年第9期
光在人间

     太阳对能源的贡献还不只如此,它更启发了“人造太阳”的宏伟设想,即利用太阳核聚变反应原理制造的一种能可控提供海量清洁能源的装置。2013年9月初,中国“人造太阳”实验装置EAST与美国托卡马克实验装置DIII-D首次联合实验并获得成功,标志着“人造太阳”计划取得重要技术突破。

    核聚变能是由两个较轻的原子核在结合成一个较重的原子核时释放出来的能量,而产生聚变反应的主要燃料之一就是氢的同位素——氘。科学家发现,在每升海水中大约含有30毫克的氘,通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油所含的热能。设计“人造太阳”的初衷就是把海水中的氘提取出来,然后通过聚变反应而产生巨大的能量。为了实现“人造太阳”的梦想,中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国于2006年推出了一个国际合作计划——国际热核聚变实验堆(ITER)。实现托卡马克实验装置高性能稳态运行是ITER的目标之一,中国的EAST就是世界首个全超导托卡马克装置,DIII-D则是世界上运行最理想的托卡马克装置。

, http://www.100md.com     光纤通信

    互联网的诞生和发展,是20世纪末人类科技史上最伟大的事件之一。互联网发展的物理基础是什么?那就是人类在光纤物理学上的技术突破。用光纤系统支撑的互联网,融合了现代通信技术和现代计算机技术,集各个部门和领域的各种信息资源为一体,从而构成了网上用户共享的信息资源网。

    光纤实际上就是一种透明度很高的石英玻璃丝,它是由芯子和包层组成的。芯子的直径在10微米以下,主体材料为二氧化硅,并掺杂有少量氧化锗或氧化磷,其作用在于提高光的折射率;包层的直径在100微米上下,是由纯二氧化硅材料构成的,或者掺杂有少量氧化硼或氟元素,其作用在于降低光的折射率。由于光导纤维的芯子和包层具有不同的折射率,因此经过调制的光信号可以不断地在芯子和包层的交界处发生反射,从而在芯子内部沿着“之”字形传播。

    为什么纤细的光导纤维具有如此神奇的功能呢?原来,现代的光纤通信主要运用了光的反射原理,并把光的全反射限制在了纤细的光纤内部,这样就用光信号取代电信号而完成了信息的远距离传递,从而为互联网的发展提供了强有力的物理支撑。
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    “神光”激光“上海光源”外景

    激光是20世纪最伟大的科技发明之一,如果说太阳光使我们饱览了世界万物的风采的话,那么激光这个“人造神光”则把人类社会点缀得异彩纷呈!激光是一种由激光器发出的以受激辐射占主导地位的高亮度相干光束。人类历史上第一束激光是在1960年5月15日从美国加利福尼亚州休斯实验室发出的。

    激光与普通的光有什么不同呢?其实,激光也是一种光,但与普通光相比具有高方向性、高相干性、高单色性、高亮度等优点。高方向性是指激光的辐射波十分集中地朝一个方向传播;高单色性是指激光的颜色非常纯净;高亮度是指激光的亮度甚至可以超过太阳光的亮度。激光的这些优点决定了其非凡的应用价值,比如激光通信就是一种将对人类通信领域产生革命性影响的技术,各国军方纷纷投入精力和财力加强对大气激光通信的研究。

    所谓大气激光通信是指以大气为传输介质的激光通信,它不但可以传送电话信息,还可以传送数据、传真、电视和可视电话等。大气激光通信具有非常好的反侦听和抗干扰性能,像空间电离层的扰动和地球极光的闪烁等,都不会影响大气激光通信的效果。甚至核武器爆炸时所产生的强烈的电磁脉冲,也奈何不了大气激光通信的效果。原来,这些电磁脉冲没有激光的频率高,再者,核武器爆炸所产生的光辐射尽管能量很强但是向四面八方发散的,因此对大气激光通信的影响是不大的。
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    同时,科学家还把在激光作用下生物体所发生的物理、化学、生物学的反应,称为激光生物学效应。利用激光的生物学效应可以进行生物技术开发和诱变育种等操作。实践证明,激光育种是行之有效的育种手段,并且激光生物技术在基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等方面取得了令人瞩目的成就。同时,激光还在医疗、家电、能源、制造等领域都获得了蓬勃发展。如激光在眼科、牙科、心脏病、癌症等诊断治疗方面具有重要的应用;激光在能源工业中可以进行核聚变点火。前面提到了核聚变装置,而点燃核聚变燃料需要上亿度的高温,激光的发明则很好地解决了这个问题。

    “上海光源”

    “上海光源”是一种什么光?原来,“上海光源”是“上海同步辐射光源”的简称,它被誉为我国最大的“大科学装置”,也是我国最先进的多学科前沿研究实验平台。该光源包括一系列的“神奇之光”, 能够覆盖从远红外到硬X射线的宽广波段,从而照亮微观世界的“黑箱”。

    同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射。由于这种现象最先是于1947年在高能物理实验用的同步加速器上发现的,因而被命名为“同步辐射”。简单来说,“上海光源”的工作原理是让以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动,由于改变运动方向而释放出来的能量则可以转换成各种波段的电磁波。

    “上海光源”具有高亮度、高强度、高稳定等优点,强度是X光机的上万倍,亮度是最强的X光机的上亿倍,可同时提供从远红外线、紫外线到硬X射线等不同波长的高亮度光束。科学家可以利用“上海光源”来破解生物大分子的三维结构,从而为“后基因组时代”生命科学的研究创造良好的条件。科学家还可以利用“上海光源”的X光显微成像和断层扫描成像技术,直接获取亚细胞结构图像。

    链接2:

    光与诺贝尔奖

    1901年,德国人伦琴因发现X射线而获得诺贝尔物理学奖。X射线可用于医学、工业等领域,也可用来分析晶体结构。, 百拇医药(苏更林)
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