對正電子動力系統的初步認知的是,它是以反物質能量運用為根基的前沿理念,不是指已存在的成熟技術,是一系列高度理論化、多見於科幻作品和基礎物理研究裡的設想,此設想的核心原理是藉助電子對應的反粒子正電子,在同普通電子產生湮滅時,把質量全部轉變為能量以此實現理論層面近乎百分百的能量轉換效率。當下,如此些設想同工程化應用間的距離超乎尋常地遙遠,於生產、儲存以及能量引導等方面,面臨著近乎不可能跨越的技術與成本阻礙句號。
什麼是正電子以及它如何產生能量
帶著正電荷的正電子,是電子的反物質對應體,當它碰到一個普通電子時,二者會發生湮滅,其全部靜止質量會按照愛因斯坦的質能方程E=mc²轉化成能量,一般以伽馬射線的形式釋放出來,這個過程不牽涉核反應,是純粹的質能轉換。
從理論層面來講,這屬於已知的、效率最高的那種能量釋放形式。可是呢,在自然界當中,正電子是極為稀少難得的,一般是在高能宇宙射線撞擊大氣的時候,或者是某些放射性同位素發生衰變之際才會產生,而且其數量少到幾乎可以忽略不計。在實驗室裡面,那就得依靠粒子加速器去製造了,而其生產的整個過程自身所消耗掉的能量,遠遠要高於湮滅最終能夠獲取到的能量。
正電子動力系統的理論工作原理是什麼
一個理想化的正電子動力系統含有三個核心部分,分別是正電子源,儲存容器以及能量轉換裝置。正電子要被持續地進行生產或者補充,還要安全地存儲在一個由電磁場構成的“陷阱”裡,以此來阻止其接觸任何普通物質。
當出現需要輸出動力之際,系統會把那些受到控制的微量正電子注入到反應腔之中,使其與帶進來的電子發生湮滅現象。所產生的伽馬射線那般的能量必須要被有效地捕獲以及轉換,舉例來說借助特定的半導體材料把它轉化為電能。每一個步驟在當前都身為基礎研究階段,不存在任何一個環節擁有工程可行性。
正電子動力相比核聚變有哪些優勢
處於純物理參數範疇來講,正電子發生湮滅之時其對應的能量之密度可要超出核聚變好多好多,而在有關氫同位素展開的聚變反應當中,僅僅只有大概百分之零點七的質量會轉變成為能量,然而正電子湮滅可是百分百的那樣子的質量全部轉化,這就表明了這樣一個情況,也就是要去驅動同等規模大小的設備,所需要的反物質燃料其質量比起聚變燃料來要小上好幾百倍。
正電子湮滅不會產生能長期存在的放射性廢物,其反應所產生的產物是純淨的伽馬射線。核聚變雖然在產生放射性方面的問題遠比裂變要小很多,然而依舊會產生中子,這些中子會使反應堆的結構材料被活化。正電子動力具備的這些理論上的優勢,致使它在科幻作品裡成為星際航行的理想動力。
為什麼目前無法製造實用的正電子引擎
首要的障礙是正電子的生產成本,以及正電子的儲存成本,當今最強大的粒子加速器連續運行一整年,所製造出來的正電子總體質量,或許還比不上一粒灰塵,然而它的能耗卻能與一個大城市相當,儲存同樣面臨著重重困難,需要極其精密的電磁場,把正電子懸浮在真空中任何微小的故障,都可能致使湮滅以及容器毀壞。
其次存在能量引導方面的難題,湮滅所產生的乃穿透力極度強的伽馬射線,怎樣把它的能量高效且定向地轉變為推力或者電力,同時又不讓射線將引擎自身燒毀,當下不存在任何材料或技術方案可把這一問題解決。這些具有根本性的挑戰致使“正電子引擎”僅停留在紙面上。
正電子動力在醫學成像中的實際應用
將宏大動力系統幻想排除在外,正電子於現實世界裡存在一項成熟且關鍵的應用,即正電子發射斷層掃描,也就是PET。在這一醫療成像技術當中,注入人體的放射性示踪劑會釋放出正電子,這些正電子馬上與鄰近組織裡的電子發生湮滅,進而產生方向相反的伽馬光子對。
被探測器捕獲的這些光子對,將藉助計算機重建成為體內代謝活動的三維圖像。 PET在腫瘤學裡是不可或缺的,在神經學中同樣不可或缺,於心髒病學方面也是不可或缺的。此應用很巧妙地避開了燃料生產難題以及儲存難題,僅僅依靠微量放射性同位素,展現出了湮滅原理在微觀尺度上所具備的實用價值。
研究正電子動力對基礎科學的意義何在
即便工程應用距離現實非常遙遠,可圍繞正電子動力向後延伸的基礎研究極具價值,為了將正電子存放起來,科學家務必要深入探究等離子體物理以及電磁約束技術,這些知識說不定會給其他領域帶來好處,對於伽馬射線能量轉換開展的探索,也沒準會促使新的物理髮現或者材料科學取得突破。
更關鍵的是,它促使人類對於反物質這種宇宙基本組成部分的認識得以推進。對正電子和物質相互作用展開研究,有益於對物理學核心理論進行檢驗,甚至能夠涉及到宇宙初始階段物質為何遠遠多於反自質這一最終謎題為何存在此情形。所以,它的科研價值要遠遠超過近期所能展現出的應用前景。
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