中微子通信技术及应用.docVIP

题目：核地球物理新技术之中微子通信技术与应用展望 引言 前地矿部部长李四光说:“中国地质学的创始人,不是别人, 而是章鸿钊先生。”1987年3月武汉地质学院出版社出版的章鸿钊先生“六六自述”中指出:“世固不乏先进者,早欲利用物理学以解决地质学上诸问题矣”。经典物理学中的万有引力、磁学、 电学、振动与波等理论,都已形成了重力、磁法、 电法、地震等勘探方法,它们在国民经济中,作出了巨大的贡献,这也是举世公认的。当今,近代物理学中核物理理论、仪器、方法技术等,已形成了放射性方法或称核地球物理学。美国科罗拉多矿业学院出版了“ 核法勘探”教材;俄罗斯的圣彼得堡大学出版了“核地球物理原理”教材;英国出版了国际性学术杂志“核地球物理”。核地球物理所涉及的范围很广,从空间上来讲,已用于星际、航空、地面、 坑道、钻孔、 水底与海底。从矿产资源来讲,已用于放射性矿产 的铀矿、非放射性矿产的金、银、铜、铅、锌、 铁、镍、锰、银、钥、 锡、锑、汞、钨、钒、钦、钡、铬、磷、钾、石油与天然气, 以及稀有、稀土金属、金刚石等。还用于水文、工程、 工业、农业、医学和环境科学。从物理“相”的角度来讲,已对气相(如氧气)、液相(如水)、固相(如微观基本粒子、纳米级微粒、矿物岩石)等进行研究。 80年代以来,国内外发展较快的几种主要核地球物理勘查 技术的概况。这些方法有:中微子在地球科学中的应用;应用核技术探测纳米级微粒和气体;航空伽玛能谱测量;应用核技术原位测品位并计算线储量(包括X射线荧光辐射取样;中子活化辐射取样和伽玛射线辐射取样);地面伽玛能谱测量;X射线荧光井; 水底和海底天然放射性方法测量;水底和海底中子活化方法量;水下X射线荧光测量;核磁共振方法;在工程中应用核技术; 反射宇宙中子法;以及在环境科学中应用核技术等。 本文重点介绍的是核地球物理勘查技术中的中微子在地学中的应用之中微子通信技术的应用与展望，系统介绍了中微子的特点及通信原理技术。 第一章 中微子的发现及特点 1.1 中微子的发现 在 2 0 世纪最初的几十年里, 原子物理学家在揭示宇宙的组成方面取得了长足的进步。 当时的科学家们普遍相信：所有原子都是由两种带电粒子组成的，这两种粒子就是位于原子核的质子和环绕质子运动的电子。但奇怪的是，有些原子的原子核很不稳定，它们会解体，即通常所说的衰变。因此，放射性衰变成为当时物理学中最大的一个奥秘。原子核衰变时会 释放能量，其方式通常是射出一个电子。问题就出在射出的电子的能量上面—电子的能量小于原子核衰变所放出的能量。物理学中有一个非常有名的定律：能量守恒。如果原子核衰变时只是放出电子，那么原子核所失去的能量就应该全部被电子所吸收，但是电子携带的能量看起来没有它按理说应该携带的那么多。换句话说，原子核衰变时所释放的能量中有一部分“消失”了。在鲍里看来，能量绝不可能消失，一定是有第三种粒子参与了放射性衰变。 鲍里把它叫做“ 中微子”。这是一种从未有人见过、甚至从未有人知道的粒子，但正是它带走 了那一部分“消失”的能量。 鲍里认为，这种粒子极其渺小，并且行踪诡异，难怪一直没有人探察到它的存在。不过，在宣布自己这个带有很大推测性的“重大发现”之前，鲍里可谓犹豫再三。能量守恒定律得到了维护，但是就连鲍里自己也担心，恐怕永远都无法证明中微子的存在， 因为中微子同组成原子的其他粒子不同中微子不带电，并且能径直穿透所有固体物质而不留下任何痕迹。 与其他粒子相比，中微子的确是一种诡异的“小鬼”。 鲍里等人当时断言说，永远也不会有人能够见到中微子。也许正是受这一断言的影响，此后数十年中无人敢于尝试寻找中微子。 直到 原子弹问世之后, 情况才豁然开朗，事实上原子弹爆炸所产生的巨大能量正是来自于一系列放射性衰变反应。假如鲍里的理论没错,那么在原子弹爆炸时就会释放出大量的中微子，或者说就会产生密集的中微子脉冲。20世纪5O年代，美国核武器研究成员之一，年轻的物理学家弗雷德·雷恩，尽管他的工作是研制核武器，但他的真正兴趣却在于解决物理学中的基本问题。当时,雷恩突然想到，借助于原子武器的研制，也许就能找到令人难以捉摸的中微子。雷恩还想到，如果核弹爆炸时的连锁反 应能产生大量中微子，那么核反应堆中的连锁反应也应该能产生大量中微子，由此，就有可能捕捉到中微子。于是，一个寻找中微子的计划产生了，雷恩及其同事把它称作“小鬼计划”。终于在，1956年6月14日，通过大量的实验和观察，发现了表明中微子存在的一种明显的能量双脉冲信号，雷恩及其同事自豪地向全世界宣布，他们已经找到了中微子! 他们还给鲍里发去电报，告诉他这一喜讯得知消息后，鲍里欣喜若狂。从1930年鲍里提出中微子存在的理论，到1956年雷恩等人检测到中微子，整整耗费了四分之一世纪的时间，这足以说明寻找中微子是多么的艰难