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张正严

物理学史专家,西南大学物理学与技术学院副教授

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  • doggiechild 2020-01-17 09:10:33

    提问:

    烟花中发生了哪些物理和化学变化?

    专家回复:

    烟花,或者说烟火,含有易燃成分。高空礼花弹是最常见的一种烟花,由礼花弹发射炮筒发射。它分为四个部分:升举弹药、延时导火索、爆破弹药和光效发生器。 升举弹药是一种化合物,可以急速燃烧,产生巨大的推力,将礼花弹射出炮管。升举弹药的另一个作用是点燃延时导火索。在礼花弹升到适当高度时,延时导火索会触发爆破弹药。爆破弹药发生爆炸,散射出礼花弹里火红的物质。礼花弹包含了无数烟火小弹丸,用来产生光亮。这些小弹丸由不同成分的物质层层包裹而成,从外层向内层燃烧,使其产生颜色变化。 燃放时烟花的颜色和亮度,与烟火混合剂中的金属成分和燃烧温度有关。当特定的金属被加热时,电子会在原子的电子壳层(能级)之间跃迁。当电子落回较低的能级时,就会释放一个光子,光子的波长决定了光的颜色。最容易产生的颜色是红色、绿色、黄色和白色(它们分别由锶、钡、钠和钛金属产生)。蓝色较难产生,因为反应温度必须要刚好合适才能出现蓝色。 而烟花中的闪光则来自于燃烧速度较慢的混合剂。烟花的造型效果,例如环形、心形以及笑脸形,则需要通过小弹丸精准地布置在礼花弹的内部来实现。所有的烟火混合剂都含有燃料和氧化剂。这些混合剂通常由金属硝酸盐和碳基燃料构成。当固体的混合剂被引燃,它们就会转变成气体,并释放出大量的热量——为了产生耀眼的光芒,温度要超过 2000℃。烟花的反应速率由多种因素控制,其中包括礼花弹的成分和其他一些物理特征,例如弹丸颗粒的大小(越小意味着反应速度越快),含有助燃剂(例如硫和糖)或阻燃剂(例如盐),高压或密封(可以加快反应速率),较低的装填密度(可以降低反应速率),以及水分含量等等。

  • doggiechild 2020-01-17 09:10:43

    提问:

    什么是暗物质,它对宇宙有什么影响?

    专家回复:

    暗物质是为解释一种科学家尚未完全了解的现象而引入的概念。在星系和星系团(靠星系之间的引力结合起来的星系集团)中,引力质量和光度质量(发光物质的质量)并不相匹配。这表明,宇宙中存在不发光的物质,也就是说,它们是不可见的,或者说是“暗”的。 对于恒星这样的天体,通过测量其卫星的速度和轨道半径,我们就能确定它们的引力质量。我们可以利用恒星质量、颜色、光度之间的已知关系,通过观测到的星系颜色和发光强度,得到组成这个星系的恒星总质量,从而得到该星系的光度质量。通过比较星系和星系团的质量和光度,我们发现,它们的引力质量远远超过了它们的光度质量。 因此,实际存在的物质比我们能看见的要多得多。其他一些证据,包括美国国家航空航天局 对宇宙微波背景辐射(通过它我们能够窥见早期宇宙的面目)的测量结果,为我们提供了更进一步的信息:暗物质与正常物质的比例为 6 ∶ 1。 暗物质会是什么呢?很多物理学家和天文学家怀疑,它是一种目前还无法探测到的粒子。暗物质候选者的原型类似中微子——一种和电子很相似的粒子,但其质量比电子小得多且不带电荷。然而,中微子的所有已知种类都太轻、太少了,不符合理论上对暗物质的描述。 那么暗物质是如何影响宇宙的?它必定是宇宙中最大结构——星系和星系团——的基本组成部分。暗物质不仅可以解释宇宙中遥远天体的状态,而且在我们自己的星系——银河系中,暗物质肯定也大量存在。人们估计了银河系的组成成分,据此作出预言:我们的太阳系沉浸在一片丰富的暗物质“海洋”中,其密度高达每立方米大约 105 个粒子。此外,由于地球绕着太阳公转,当我们相对暗物质“海洋”顺行或逆行时,还会经历暗物质的“四季”。

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