物理學習——從研究氫原子開始康師兄 <p class="ql-block"><span style="color:rgb(1, 1, 1);">（本篇可科普電、磁、光、量子力學和高能物理知識）</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">一. 氫原子基本知識</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251); font-size:18px;">1. 氫原子運動軌跡</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251); font-size:18px;">2. 氫原子使電子運轉的電磁力</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">3. 電子產生的磁場</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251); font-size:18px;">4. 角動量的計算?</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">5. 氫原子的能級圖</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">6. 氫原子產生的電磁輻射(光)</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">7. 光量子計算公式</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">8. 氫同位素</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">二. 太陽核聚變過程</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">三. 質子與中子互換</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">1. 質子變中子</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">2. 中子變質子</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">四. 托卡馬克實驗裝置</span></p><p class="ql-block"><span style="color:rgb(22, 126, 251);">——————</span></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b style="font-size:20px;">氫是宇宙誕生后的第一種元素，后來由氫演變成已知的118種元素。</b></p><p class="ql-block"><b>1. 氫原子運動軌跡</b></p><p class="ql-block">黃球——原子核(質子),帶正電荷(+e)。</p><p class="ql-block">藍珠——核外電子(-e),任意方位旋轉。</p><p class="ql-block">紅色直線——磁場強度與方向(矢量)。</p><p class="ql-block">黃色直線——原子半徑、電場方向。</p><p class="ql-block">綠色圓圈——電子軌道</p><p class="ql-block">藍色弧線——電場軌道</p><p class="ql-block">紅色弧線——磁場軌道</p><p class="ql-block"><b>2. 氫原子使電子運轉的電磁力</b></p><p class="ql-block">質子與電子的引力稱為電磁力，也是電子運動的向心力，公式為：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> F = k e2/r2 = e2/4πε0 r2</i></p><p class="ql-block">其中k為靜電力常數；e為元電荷；r為電子與質子的距離；ε0為直空介電常量。</p><p class="ql-block"><b>3. 電子產生的磁場</b></p><p class="ql-block">根據電磁學中的畢奧-薩伐爾定律，核外電子產生的磁場大小為 ：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> B= μ0 I/2r</i></p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> = μ0 e/2rT</i></p><p class="ql-block">? 其中I為等效電流； μ0是真空磁導率；e是元電荷；r是電子與質子的距離?；T是電子繞質子運轉的周期。</p><p class="ql-block"><b>?4. 角動量的計算?</b></p><p class="ql-block">電子繞質子運動的角動量公式為：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> L = 2π m r2 /T</i></p><p class="ql-block">其中 m是電子的質量?；r是電子與質子的距離?；T是電子繞質子運轉的周期。</p> <p class="ql-block"><b>5. 氫原子的能級圖</b></p><p class="ql-block">氫原子能級是量子化的不連續能量狀態，由主量子數n決定，能量公式為：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> En = ?13.6eV / n2</i></p><p class="ql-block">其中n為主量子數（n=1,2,3,…)，基態（n=1）能量最低（-13.6eV)，原子穩定性最高。</p> <p class="ql-block"><b>6. 氫原子產生的電磁輻射(光)</b></p><p class="ql-block">在氫原子中，當核外電子從高能級向低能級躍遷時 (由外層到內層)，電荷被加速的過程中會輻射光子。躍遷層數越多則光子波長越短。</p><p class="ql-block"><b>7. 光量子計算公式</b></p><p class="ql-block">一個核外電子躍遷過程中產生的輻射能量稱為光量子，公式為：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> E = hν = h/λ</i></p><p class="ql-block">其中h為普朗克常量；ν為光子頻率；λ為光子波長。</p><p class="ql-block">并且，光量子等于光子動量：E=p。</p> <p class="ql-block"><b>8. 氫同位素</b></p><p class="ql-block">氫有三種同位素：氕(H)，氘(D)，氚(T)。相對豐度分別為約99.9844%、0.0156%、0.001%，其中氚原子穩定性差，具百放射性。</p> <p class="ql-block"><b>二. 太陽核聚變過程</b></p><p class="ql-block">方程式：<i>41H →?He + 2v + 2e? + 2γ</i></p><p class="ql-block"><b>?第1步：質子變成氘核</b></p><p class="ql-block">兩個質子（1H）結合，其中一個質子通過弱相互作用轉化為中子，形成氘核（2H)，同時釋放一個電中微子（v）和一個正電子（e?)。</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> 1H + 1H →2H + v + e? </i></p><p class="ql-block">正電子隨后與電子凐滅，產生伽馬射線（γ）。</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> e? + e → 2γ</i></p><p class="ql-block"><b>第2步：氘核與質子轉換成輕氦核</b></p><p class="ql-block">氘核與另一個質子結合，形成輕氦核（3He)，并釋放伽馬射線（γ)。</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;">? 2H + 1H →3He + γ</i></p> <p class="ql-block"><b>第3步：氦-3的聚變</b></p><p class="ql-block">兩個輕氦核結合，形成兩個質子和一個氦核（α粒子)。</p><p class="ql-block"> 3He + 3He →21H + ?He</p><p class="ql-block">目前，太陽上有75%的物質是氫，25%的物質是氦。這些氦都是由氫的質子聚變而形成。</p> <p class="ql-block"><b>三. 質子與中子互換</b></p><p class="ql-block"><b>1. 質子變中子</b></p><p class="ql-block">在兩個質子聚變成一個氘核的過程中，其中一個質子內部白一個上夸克通過弱相互作用力轉化為下夸克，并釋放一個電中微子 (v)和一個正電子 (e?)，變成了中子 (n)：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> 1H → n + v + e?</i></p><p class="ql-block"><b style="font-size:18px;">2. 中子變質子</b></p><p class="ql-block"><span style="font-size:18px;">中子單獨存在時會很快發生衰變，內部—個下夸克通過弱相互作用力轉換成上夸克，并釋放一個電子和一個反中微子(v</span>ˉ)。由此中子變成了質子 (p)：</p><p class="ql-block"><i style="font-size:20px;"> n → p + e + v</i><span style="font-size:20px;">ˉ</span></p> <p class="ql-block">四. 托卡馬克實驗裝置</p><p class="ql-block">全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST，“東方超環”）|</p> <p class="ql-block">EAST裝置在2025年1月20日成功實現了1億攝氏度下1066秒的高約束模等離子體運行，打破了此前的世界紀錄。這一成就標志著中國在核聚變能源研究上實現了從基礎科學向工程實踐的重大跨越。</p>