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同步辐射

指数 同步辐射

同步辐射是带电粒子的運動速度接近光速(v≈c)在电磁场中偏转时,沿運動的切線方向发出的一种电磁辐射,最先在电子同步加速器上发现,故得此名,又称同步加速器辐射。它与回旋辐射(由回旋加速器产生的辐射)类似,区别是同步辐射中的电子速度更高,已接近光速,要考虑相对论效应。 由于重子的静止质量比电子大三个數量级以上,即使在TeV级的质子同步加速器中,因同步辐射造成的能量损失依然是不重要的。而对MeV级的电子同步加速器,同步辐射已十分显著。同步辐射使粒子在横向和纵向的振荡阻尼,并与量子起伏达到平衡态。这也是为什么电子同步加速器中束流易于稳定和束流发射度较小且不依赖于入射束性能的原因。 由于同步辐射造成的能量损失是阻碍电子同步加速器能量提高的主要因素。同时又发现它具有宽阔的连续光谱、高度的准直性和偏振性等特点,加上高功率和高亮度,使电子储存环成为一种性能优异的新型强光源而得到广泛应用。同步辐射又是天体物理中的一种重要辐射机制。.

19 关系: 功率同步加速器同步辐射光源天体物理学不变质量光學頻譜光速回旋加速器回旋辐射电子电磁场电磁辐射質子质量能量阻尼重子電子伏特速度

功率

功率定義為能量转换或使用的速率,以單位時間的能量大小來表示,即是作功的率。功率的國際標準制單位是瓦特(W),名稱是得名於十八世紀的蒸汽引擎設計者詹姆斯·瓦特。燈泡在單位時間內,電能轉換為熱能及光能的量就可以用功率表示,瓦特數越高表示單位時間用的能力(或電力)越高。 能量转换可以用來作功,功率也是作功的速率。當一個人搬著一重物爬了一層的樓梯,不論他是慢慢的走上樓梯或是快跑上樓梯,對重物作的功是相等的,但若考慮其功率,快跑上樓梯會在較短的時間內對物體作相同大小的功,因此其功率較大。馬達的輸出功率是其馬達產生的轉矩及馬達角速度的乘積,而車輛前進的功率是輪子上的牽引力及車輛速度的乘積。.

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同步加速器

同步加速器(Synchrotron)是一種環形的粒子加速器,使用磁場(讓帶電粒子在運行中可以改變方向)及電場(加速帶電粒子)與運行中的帶電粒子束同步化操作。本是由阿爾瓦雷茨發展用以研究高能粒子之裝置。 粒子迴旋加速器使用均勻的磁場及固定頻率變化的電場加速帶電粒子,如果改變其中一項則為同步粒子迴旋加速器,兩者都改變則為同步加速器。粒子在粒子迴旋加速器中,從中心以螺旋軌道運行到腔壁時,粒子迴旋加速器的最大半徑限制了粒子最後所獲得的全部能量。另一方面若以增加磁場強度的方式來提高加速能量,也有其極限。所以有同步加速器的出現。同步加速器中的粒子束具有固定軌道,藉著改變參數使帶電粒子獲得能量,在真空的環境(儲存環)中不斷的運行。同步加速器中的儲存環包含了直線段與彎曲的部分,前後相連在一起。因此在結構上和粒子迴旋加速器有很大的不同。而儲存環中彎曲的部分會有許多磁鐵設施使粒子束改變運行方向;直線段的部分則設置高頻共振腔使用高能量的微波提供粒子加速所需的電場。最強大的現代化的粒子加速器使用的同步加速器設計版本。最大的同步型加速器大型強子對撞機(LHC)位於瑞士日內瓦附近,由歐洲核子研究組織(CERN)建造。 同步加速器可以克服粒子迴旋加速器所遇到的問題,可以使用一個較小的管子來傳送粒子束,管子旁可裝設許多聚焦用的磁鐵或其他設施。 埃德溫·麥克米蘭在1945年建成了第一個電子同步加速器,儘管已經於1944年(麥克米蘭并不知道)在蘇聯雜誌發表原理。 第一個質子同步加速器由爵士設計 和建造於1952年。.

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同步辐射光源

同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置。第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机,第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机,第三代同步辐射光源為性能更高且儲存環之直線段可加裝插件磁鐵組件之同步辐射专用储存环的专用机,现在正在研究的自由电子激光器則為新一代的高強度光源設施。.

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天体物理学

天體物理學,又稱「天文物理學」,是研究宇宙的物理學,這包括星體的物理性質(光度,密度,溫度,化學成分等等)和星體與星體彼此之間的交互作用。應用物理理論與方法,天體物理學探討恆星結構、恆星演化、太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。由於天體物理學是一門很廣泛的學問,天文物理學家通常應用很多不同的學術領域,包括力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學等等。由於近代跨學科的發展,與化學、生物、歷史、計算機、工程、古生物學、考古學、氣象學等學科的混合,天體物理學目前大小分支大約三百到五百門主要專業分支,成為物理學當中最前沿的龐大領導學科,是引領近代科學及科技重大發展的前導科學,同時也是歷史最悠久的古老傳統科學。 天體物理實驗數據大多數是依賴觀測電磁輻射獲得。比較冷的星體,像星際物質或星際雲會發射無線電波。大爆炸後,經過紅移,遺留下來的微波,稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要非常大的無線電望遠鏡。 太空探索大大地擴展了天文學的疆界。太空中的觀測可讓觀測結果避免受到地球大氣層的干擾,科學家常透過使用人造衛星在地球大氣層外進行紅外線、紫外線、伽瑪射線和X射線天文學等電磁波波段的觀測實驗,以獲得更佳的觀測結果。 光學天文學通常使用加裝電荷耦合元件和光譜儀的望遠鏡來做觀測。由於大氣層的擾動會干涉觀測數據的品質,故於地球上的觀測儀器通常必須配備調適光學系統,或改由大氣層外的太空望遠鏡來觀測,才能得到最優良的影像。在這頻域裏,恆星的可見度非常高。藉著觀測化學頻譜,可以分析恆星、星系和星雲的化學成份。 理論天體物理學家的工具包括分析模型和計算機模擬。天文過程的分析模型時常能使學者更深刻地理解箇中奧妙;計算機模擬可以顯現出一些非常複雜的現象或效應其背後的機制。 大爆炸模型的兩個理論棟樑是廣義相對論和宇宙學原理。由於太初核合成理論的成功和宇宙微波背景輻射實驗證實,科學家確定大爆炸模型是正確無誤。最近,學者又創立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化,這模型涵蓋了宇宙暴胀(cosmic inflation)、暗能量、暗物質等等概念。 理論天體物理學家及實測天體物理學家分別扮演這門學科當中的兩大主力研究者,兩者專業分工。理論天體物理學家通常扮演大膽假設的研究者,理論不斷推陳出新,對於數據的驗證關心程度較低,假設程度太高時,經常會演變成偽科學,一般都是天體物理學研究者當中的激進人士。實測天體物理學家通常本身精通理論天體物理,在相當程度上來說也有能力自行發展理論,扮演小心求證的研究者,通常是物理實證主義的奉行者,只相信觀測數據,經常對理論天體物理學所提出的假說進行證偽或證實的活動,一般都是天體物理學研究者當中的保守人士。.

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不变质量

不变质量(invariant mass)或称内秉质量(intrinsic mass)、固有质量(proper mass),亦常简称为质量,指的是一个物体或一个物体系统由总能量和动量构成的在所有参考系下都相同的一个洛仑兹不变量。当这个系统作为整体保持静止时,不变质量等于系统的总能量除以光速的平方,这也等于这个系统在一个与之相对静止的秤上称得的质量。如果系统由一个单一粒子组成,不变质量也称作这个粒子的静止质量。 由于一个孤立系统的质心总保持匀速直线运动,因此观察者总可以选择这样一个参考系,使系统在这一参考系中的总动量为零,即相对这个参考系为静止。这样的参考系称作质心系,这时系统的不变质量就等于系统的总能量除以光速的平方。这个於质心系下的总能量,可以被看作是系统在不同惯性系下可能被观测到所具有能量的“最小值”。 在多粒子系统的情形下,质心系中的粒子彼此之间可能会存在相对运动,并有可能存在一种或多种基本相互作用。这时粒子的动能和力场的势能会增大系统的总能量,使之大于所有粒子的静止质量之和,这部分能量也对系统的不变质量有贡献。.

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光學頻譜

光学频谱,简称光谱,是复色光通过色散系统(如光栅、棱镜)进行分光后,依照光的波长(或频率)的大小顺次排列形成的图案。光谱中的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的唯一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人類大脑視覺所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色,其原因是粉红色并不是由单色组成,而是由多种色彩组成的。参见颜色。.

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光速

光速,指光在真空中的速率,是一個物理常數,一般記作,精確值為(≈ m/s)。這一數值之所以是精確值,是因為米的定義就是基於光速和國際時間標準上的。根據狹義相對論,宇宙中所有物質和訊息的運動和傳播速度都不能超過。光速也是所有無質量粒子及對應的場波動(包括電磁輻射和引力波等)在真空中運行的速度。這一速度獨立於射源運動以及觀測者所身處的慣性參考系。在相對論中,起到把時間和空間聯繫起來的作用,並且出現在廣為人知的質能等價公式中:.

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回旋加速器

迴旋加速器是一種粒子加速器。迴旋加速器通過高頻交流電壓來加速帶電粒子。大小從數英吋到數公尺都有。它是由欧内斯特·劳伦斯於1929年在柏克萊加州大學發明。 許多原子核、基本粒子的性質有關的資訊,均是利用高能粒子轟擊原子靶(atomic target)而獲得的。1932年,約翰·柯克勞夫與歐內斯特·沃吞在英國製造了第一台「原子擊破器」(atom smasher)。他們乃是利用700,000V的高電壓對質子加速,然後再拿它們轟擊鋰靶。 他們採用的方法雖然較為野蠻,但確實是建構出了這麼個高電壓。在1929年時,勞倫斯就已經考慮過這種可能性:將粒子重複地經由一「相對小電壓」做加速,而不是一次就用一個巨大電壓去做加速。他於是與李明斯頓(M.S.Livingston)合作,發展出了迴旋加速器(cyclotron)。第一部迴旋加速器建於1930年,稍後的改良則於1934年完成。 回旋加速器的基本构成是两个处于磁场中的半圆D型盒和D型盒之间的交变电场。带电粒子在电场的作用下加速进入磁场,由于受到洛伦兹力F.

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回旋辐射

回旋辐射是非相对论性的带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用产生的辐射。.

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电子

电子(electron)是一种带有负电的次原子粒子,通常标记为 e^- \,\!。電子屬於轻子类,以重力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。轻子是构成物质的基本粒子之一,无法被分解为更小的粒子。电子带有1/2自旋,是一种费米子。因此,根據泡利不相容原理,任何兩個電子都不能處於同樣的狀態。电子的反粒子是正电子(又称正子),其质量、自旋、帶电量大小都与电子相同,但是电量正負性与电子相反。電子與正子會因碰撞而互相湮滅,在這過程中,生成一對以上的光子。 由电子與中子、质子所组成的原子,是物质的基本单位。相对于中子和质子所組成的原子核,电子的质量显得极小。质子的质量大约是电子质量的1836倍。当原子的电子数与质子数不等时,原子会带电;称該帶電原子为离子。当原子得到额外的电子时,它带有负电,叫阴离子,失去电子时,它带有正电,叫阳离子。若物体带有的电子多于或少于原子核的电量,导致正负电量不平衡时,称该物体带静电。当正负电量平衡时,称物体的电性为电中性。靜電在日常生活中有很多用途,例如,靜電油漆系統能夠將或聚氨酯漆,均勻地噴灑於物品表面。 電子與質子之間的吸引性庫侖力,使得電子被束縛於原子,稱此電子為束縛電子。兩個以上的原子,會交換或分享它們的束縛電子,這是化學鍵的主要成因。当电子脱离原子核的束缚,能够自由移动时,則改稱此電子为自由电子。许多自由电子一起移动所产生的净流动现象称为电流。在許多物理現象裏,像電傳導、磁性或熱傳導,電子都扮演了機要的角色。移動的電子會產生磁場,也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會發射電磁輻射。 根據大爆炸理論,宇宙現存的電子大部份都是生成於大爆炸事件。但也有一小部份是因為放射性物質的β衰變或高能量碰撞而生成的。例如,當宇宙線進入大氣層時遇到的碰撞。在另一方面,許多電子會因為與正子相碰撞而互相湮滅,或者,會在恆星內部製造新原子核的恆星核合成過程中被吸收。 在實驗室裏,精密的尖端儀器,像四極離子阱,可以長時間局限電子,以供觀察和測量。大型托卡馬克設施,像国际热核聚变实验反应堆,藉著局限電子和離子電漿,來實現受控核融合。無線電望遠鏡可以用來偵測外太空的電子電漿。 電子被广泛應用于電子束焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射線治療、激光和粒子加速器等领域。.

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电磁场

電磁場(electromagnetic field)是由帶電粒子的運動而產生的一種物理場。處於電磁場的帶電粒子會受到電磁場的作用力。電磁場與帶電粒子(電荷或電流)之間的交互作用可以用馬克士威方程組和勞侖茲力定律來描述。 電磁場可以被視為電場和磁場的連結。追根究底,電場是由電荷產生的,磁場是由移動的電荷(電流)產生的。對於耦合的電場和磁場,根據法拉第電磁感應定律,電場會隨著含時磁場而改變;又根據馬克士威-安培方程式,磁場會隨著含時電場而改變。這樣,形成了傳播於空間的電磁波,又稱光波。無線電波或紅外線是較低頻率的電磁波;紫外光或X-射線是較高頻率的電磁波。 電磁場涉及的基本交互作用是電磁交互作用。這是大自然的四個基本作用之一。其它三個是重力相互作用,弱交互作用和強交互作用。電磁場倚靠電磁波傳播於空間。 從經典角度,電磁場可以被視為一種連續平滑的場,以類波動的方式傳播。從量子力學角度,電磁場是量子化的,是由許多個單獨粒子構成的。.

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电磁辐射

電磁辐射,又稱電磁波,是由同相振盪且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動量,其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面。 電磁輻射的載體為光子,不需要依靠介質傳播,在真空中的傳播速度为光速。電磁輻射可按照頻率分類,從低頻率到高頻率,主要包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。人眼可接收到的電磁輻射,波長大約在380至780nm之間,稱為可見光。只要是本身溫度大於絕對零度的物體,除了暗物質以外,都可以發射電磁輻射,而世界上並不存在温度等於或低於絕對零度的物體,因此,人們周邊所有的物體時刻都在進行電磁輻射。儘管如此,只有處於可見光频域以内的電磁波,才可以被人們肉眼看到,對於不同的生物,各種電磁波頻段的感知能力也有所不同。.

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質子

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质量

在日常生活中的“重量”常常被用來表示“質量”,但是在科学上,这两个词表示物质不同的属性(参见质量对重量)。 在物理上,质量通常指物质在以下的三个实验上证明等价的属性之一:.

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能量

在物理學中,能量(古希臘語中 ἐνέργεια energeia 意指「活動、操作」)是一個間接觀察到的物理量。它往往被視為某一個物理系統對其他的物理系統做功的能力。由於功被定義為力作用一段距離,因此能量總是等同於沿著一定的長度阻擋某作用力的能力。 一個物體所含的總能量奠基於其質量,能量如同質量一般,不會無中生有或無故消失。能量就像質量一樣,是一個純量。在國際單位制(SI)中,能量的單位是焦耳,但是在有些領域中會習慣使用其他單位如千瓦·時和千卡,這些也是功的單位。 A系統可以藉由簡單的物質轉移將能量傳輸到B系統(因為物質的質量等效於能量)。然而,如果能量不是藉由物質轉移而傳輸能量,而是由其他方法轉移能量,將會使B系統產生變化,因為A系統對B系統作了功。這功表現的效果如同於一個力沿一定的距離作用在接收能量的系統裡。舉例來說,A系統可以藉由轉移(輻射)電磁能量到B系統,而這會在吸收輻射能量的粒子上產生力。同樣的,一個系統可能藉由碰撞轉移能量,而這種情況下被碰撞的物體會在一段距離內受力並獲得運動的能量,稱為動能。熱可以藉由輻射能轉移,或者直接藉由系統間粒子的碰撞而以微觀粒子之動能的形式傳遞。 能量可以不表現為物質、動能或是電磁能的方式儲存在一個系統中。當粒子在與其有交互作用的力場中受外力移動一段距離,此粒子移動到這個場的新位置所需的能量便如此的被儲存了。當然粒子必須藉由外力才能保持在新位置上,否則其所處在的場會藉由釋放儲存能量的方式,讓粒子回到原來的狀態。這種藉由粒子在力場中改變位置而儲存的能量就稱為位能。一個簡單的例子就是在重力場中往上提升一個物體到某一高度所需要做的功就是位能。 任何形式的能量可以轉換成另一種形式。舉例來說,當物體在力場中,因力場作用而移動時,位能可以轉化成動能。當能量是屬於非熱能的形式時,它轉化成其他種類能量的效率可以很高甚至達百分之百,如沿光滑斜面下滑的物體,或者新物質粒子的產生。然而如果以熱能的形式存在,則在轉換成另一種型態時,就如同熱力學第二定律所描述的,總會有轉換效率的限制。 在所有能量轉換的過程中,總能量保持不變,原因在於總系統的能量是在各系統間做轉移,當某個系統損失能量,必定會有另一個系統得到這損失的能量,導致失去和獲得達成平衡,所以總能量不改變。這個能量守恆定律,是十九世紀初時提出,並應用於任何一個孤立系統。(其後雖有質能轉換方程式的發現,但根據該方程式,亦可以把質量視為能量的另一存在形式,所以此定律可說依舊成立)根據諾特定理,能量守恆是由於物理定律不會隨時間改變而得到的自然結果。 雖然一個系統的總能量,不會隨著時間改變,但其能量的值,可能會因為參考系而有所不同。例如一個坐在飛機裡的乘客,相對於飛機其動能為零;但是相對於地球來說,動能卻不為零。.

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阻尼

阻尼(damping)是指任何振动系统在振动中,由于外界作用(如流體阻力、摩擦力等)和/或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性,以及此一特性的量化表征。 在實際振動中,由於摩擦力總是存在的,所以振動系統最初所獲得的能量,在振動過程中因阻力不斷對系統做負功,使得系統的能量不斷減少,振動的強度逐漸減弱,振幅也就越來越小,以至於最後的停止振動,像這樣的因系統的力學能,由於摩擦及轉化成內能逐漸減少,振幅隨時間而減弱振動,稱為阻尼振動。.

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重子

重子(Baryon)是一個現代粒子物理學名詞,在標準模型理論中,「重子」這一名詞是指由三个夸克(或者三个反夸克组成的「反重子」)组成的複合粒子。在這理論中它是強子的一類。值得注意的是,因為重子屬於複合粒子,所以「不是」基本粒子。最常见的重子有組成日常物質原子核的质子和中子,合称为核子。其它重子中,有比这两種粒子更重的粒子,所谓的超子。重子这个称呼是指其质量相对重于轻子和介于两者之间的介子起的。 重子是强相互作用的费米子,也就是说它们遵守费米-狄拉克统计和泡利不相容原理,它们通过组成它们的夸克参加强相互作用。同时它们也参加弱相互作用和引力。带电荷的重子也参加电磁力作用。 重子与由一个夸克和一个反夸克组成的介子一起被合称为强子。强子是所有强相互作用的粒子的总称。 质子是唯一独立稳定的重子。中子假如不与其它中子或者质子一起组成原子核的话就不會稳定,並產生衰变。.

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電子伏特

電子伏特(electron Volt),簡稱電子伏,符号为eV,是能量的單位。代表一個電子(所帶電量為1.6×10-19庫侖)经过1伏特的電位差加速后所獲得的动能。電子伏与SI制的能量单位焦耳(J)的换算关系是.

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速度

速度(Vēlōcitās,Vitesse,Velocità,Geschwindigkeit,Velocity)是描述物体运动快慢和方向的物理量。物体在一段时间\Delta t内的平均速度\bar是它在这段时间里的位移\Delta \boldsymbol和时间间隔之比: 物体在某一时刻的瞬时速度\boldsymbol则是定義為位置矢量\boldsymbol 隨時間t的變化率: 物理学中提到物体的速度通常是指其瞬时速度。速度在国际单位制中的单位是米每秒,国际符号是m/s,中文符号是米/秒。相对论框架中,物体的速度上限是光速。 日常生活中,速度和速率幾乎是同義的。然而在物理學中,速度和速率是两个不同的概念。速度是矢量,具有大小和方向;速率則純粹指物體運動的快慢,是标量,没有方向。举例来说,假如一辆汽车以60公里每小时的速率朝正北方行驶,那么它的速度是一个大小等于60公里每小时、方向指向正北的矢量。物体的瞬时速率等于瞬时速度的大小,而平均速率则不一定等于平均速度的大小。.

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同步加速器輻射同步加速辐射同步輻射

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