如何测量一亿度的高温

我国的EAST人造太阳不久前实现了将1.5亿摄氏度高温等离子体维持101秒的记录，标志着我们走向可控核聚变的重要一步。可控核聚变的原理，本质上就是把两颗氢原子核捏成一颗氦原子核。为此，必须用高达数亿度的温度将其“捏”在一起。那么问题来了：这么高的温度，我们是如何测量的呢？会有一个能测出这么高温度的温度计吗？

什么是温度？

质量描述的是物体有多少物质，长度描述的是物体占据一维空间的大小，那么温度到底是什么呢？我们可以直观地感受到物质的冷热，但对温度的本质却并不了解。

虽然人们不知道温度到底是什么，但科学家很早就知道物体的热胀冷缩现象。利用这一点，人们很早就发明了温度计，利用液体的不同体积和其温度的对应关系，来测量温度。

为了描述温度的高低，人们发明了不同的温标。例如摄氏温标规定，水的凝固点是0°C，沸点是100°C，将其中的温度差平均分为100份，每份就是1°C。

摄氏度与华氏度

而华氏温标规定，水的凝固点是32°F，沸点是212°F，其中的温度差平均分为180份，每份就是1°F。

直到近代，物理学家才了解到物质都是由小微粒组成的，而且这些小微粒都在不停地做着无规则的运动。人们发现，越热的物体，其中的小微粒的运动也越快，而越冷的物体，其中的小微粒的运动就越慢。。

此时我们才真正理解温度的本质：温度是构成物体的微粒的平均运动速度的量度。

按定义来说，温度是构成物体的微粒的“平均动能”的量度，温度正比于这一平均动能，而动能正比于运动速度的平方。为了方便理解，此处简化为温度与微粒的运动速度相关。

于是，人们就找到了一个真正意义上的温度的零点，也就是当微粒的随机运动完全停止的时候，此时的温度就应当定义为零度。这就是我们通常所说的“绝对零度”。

经过理论计算可以发现，这一绝对零度的数值约为-273.15°C。如果把摄氏温标中的零点位置向下挪动273.15°C，这样所有的温度就都是正数，这种温标也被称为开尔文温标。

曲线救国：常见的测温工具

在测量某个物理量的时候，我们有两种不同的策略：测量这个量的本身，或者测量这个量所引起的其他效果。

例如，我们要测量一个长方体的体积，可以有两种方法：测量其长宽高，然后相乘得到体积，这就是直接测量体积本身。另一种方法是，我们将这个长方体浸入水中，测量排出的水的多少，来换算成长方体的体积。这种方法实际上是在测量“体积所引起的排水效应”，从而间接测量体积这个物理量。

前面我们讲过，温度描述的是物体中的微粒运动的速度。由于我们很难将微粒剥离出来并且逐个测量其速度，所以日常生活中我们使用的测温装置，往往都是在测量“温度引起的其他效应”。

最简单的就是上文提到过的液体温度计，利用的是温度引起的热胀冷缩效应；疫情防控常用的测温枪和测温摄像头，利用的是不同温度的物体会发出不同的红外线的原理。

电子设备或家用电器上常用的测温元件，因为涉及到和电路相互作用，所以主要选用热电偶和热敏电阻两种。

热电偶顾名思义，一般由两根不同的平行金属丝组成，它们的一端可以称为“受热端”，而另一端可以称为“冷端”。

热电偶的原理

受热端受热时，其内部有些电子会获得足够的能量而跑到冷端；不同的金属，其电子受热逃脱的程度不同，因此在它们的冷端，电子的分布是有差异的，因此测量这两个冷端之间的电压，即可知道它们受热端所处的温度了。

热敏电阻

而热敏电阻则是一种特殊的电阻，其电阻值会受到温度高低的影响。因此只要测量电阻阻值的大小，就可以间接知道其温度的高低了。

所有这些测温工具，并不是直接测量温度的本质——微粒运动的快慢，而是都依赖温度的某个其他效应，也就是需要其他物质做媒介。

可是当人造太阳中等离子体的温度达到1亿度时，没有任何物质能够存在其旁边，所以这些间接的方法也就都失效了。要想测量这么高的温度，是时候回归温度的本质了。

电子测速：多管齐下

既然温度的本质是物质中微粒运动速度的快慢，要想在在1亿度高温下，进行温度测量，那就只能测量微粒运动的速度了。

在人造太阳中，待测温的工作物体是等离子体，构成等离子体的微粒是电子和离子。围绕着这两种微粒，科学家发明了一系列不同的测速工具。

其中一种方法是基于磁场的。当电子在磁场中运动时，磁场会对其施加一种称为“洛伦兹力”的作用力，使其进行螺旋运动。电子的运动速度越快，其旋转的频率就越快。

而电子是带电的，进行旋转运动时会发射出电磁波，这电磁波的频率跟电子旋转的频率有关。这样，我们只要检测这电磁波的频率，就可以通过推导出的数学规律来计算出电子运动的速度。而根据这速度，我们就可以度量电子的温度。

在磁场中，不同运动速度的电子会产生不同频率的螺旋，进而产生不同频率的电磁波。测定这一电磁波，可以知道电子运动的速度

而另一种方法的原理，跟交警使用的测速仪的原理是一样的，也就是多普勒效应。

多普勒效应最直观的体现，就是当鸣笛的汽车从我们身边驶过。当汽车逐渐靠近我们时，鸣笛的音调会较高；而汽车离我们远去时，其鸣笛的音调会听起来更低一些。

多普勒效应原理示意图

这是因为，汽车的运动速度影响了声音到达耳朵时的声速，从而使得我们感受到的声音频率发生了变化。

向飞驰的汽车发出一束雷达波，并且接收其反射波。反射波的频率会因为车速的影响而产生改变，因此测量这一改变的大小就可计算出车速。如果向等离子体中发出一束激光，那么激光就会与其中的电子发生相互作用，而产生该激光的散射。

多普勒原理测量电子速度：左侧的激光照在电子上发生汤姆逊散射，由于电子运动速度的影响，散射光的频率发生变化，上方的检测器可以检测频率变化，进而推算电子的速度。

散射出来的激光跟入射激光相对来说，其频率会稍有不同，这是由于散射过程受到了电子本身移动速度的影响，就好像雷达波受到车速影响，而改变了频率一样。

通过测量这一频率的变化，就可以算出电子的运动速度，进而算出等离子体的温度。

变废为宝：离子测速

测量1亿度的高温，不能只依赖一种方法。除了电子速度的测量之外，科学家需要一些测量离子温度的方法。

由于氢离子仅有一颗质子构成，其大小不足以被探测到，所以直接测量氢离子速度不太容易实现。但人们发现，等离子体中不可避免地会混入一些杂质，这些杂质成分给了科学家以灵感。

例如，有些等离子体约束装置中会含有金属钨，这就使得工作等离子体中混有痕迹量的钨。钨原子是较重的原子，这就使其原子核的电磁吸引力非常大，以至于在1亿度的高温下，仍然能束缚住不少核外电子。

在高温下，被束缚的核外电子会发出X射线辐射，这一辐射同样也会因为钨离子本身的速度而产生多普勒效应。通过测量这一多普勒效应，也就可以算出该离子的速度，并且进一步推算出离子温度了。

多个测温方法都有其优劣点，联合运用才可以更准确地测得温度。

我们何时才能实现“能量自由”？

对于人类社会来说，能源是推动社会发展的重要动力，能源的发展可以极大满足人类的很多需求。

例如，机械和肥料的使用让人们的粮食产量大为增加，而机械和肥料都是需要大量能量才能获得的物资；汽车和飞机让人们的交通更加便捷，从北京到上海只要几个小时，这在前工业时代是不可想象的。

如果难以理解可控核聚变对人类的意义，不妨来考虑一下人类驯服野牛野马的过程。牛马等畜力为人类提供了充足而廉价的动力来源，极大地提升了人类的活动范围和耕作能力，让人类得到了更进一步的解放和发展。

而核聚变与牛马的不同就在于，一克核聚变燃料所能释放的能量，约等于一匹马不眠不休地工作14.5年所贡献的能量。

因此，早日实现可控核聚变，获得“能量自由”的重要性，就不言而喻了。辛勤工作的科研工作者获得的重要成果来之不易，让我们期待人类早日实现“能量自由”吧！

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一亿度高温是什么概念
答：这个温度高得没法用语言来形容了。仅仅只是个概念。太阳表面温度是6000摄氏度，太阳中心只有一千万摄氏度。一亿就是16666个太阳一起爆发的温度。五百多度就能把人分解成粉末。一亿度，原子都崩坏成高速流动的气体。一颗原子崩过来就能把人撞残废，因为动能太大了。

一亿度的火焰是什么颜色
答：一亿度的火焰的颜色 一亿度的火焰是由烈性火焰形成的，这种火焰的颜色非常亮丽，通常呈现出淡蓝色。这种蓝色是由于火焰的高温所产生的。事实上，高温的火焰产生的颜色实际上是一种光谱，其中包括了许多不同的颜色。高温火焰的组成 一亿度的火焰是由一种被称为等离子体的物质组成的。等离子体是由气体或...

人造太阳 是用什么东西做出一亿度的温度的
答：核聚变产生的高温高压下的等离子体放电 详情参考:http://hi.baidu.com/wh_2006/blog/item/8b1b42c2923ba935e5dd3bc0.html 这是我国新一代热核聚变装置EAST(俗称“人造太阳”)(9月28日摄)。9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成...

最低温度和最高温度各是多少?一亿摄氏度是什么概念?
答：一亿摄氏度的概念我们通常所已知的太阳中心温度也不过只有两千万摄氏度，而我们现在人类已经可以造出产生一亿摄氏度高温的人造太阳，相当于五倍的太阳温度。产生如此高的高温利用的正是我们所熟知的核聚变反应，也只有核聚变如此强烈的反应能够产生如此高的温度。我们研发这项科技的原因正是因为我国虽然土地...

1亿度、20秒,韩国人造太阳打破中国纪录,人类的救命稻草是否要来了...
答：一、韩国人造太阳打破中国纪录“人造太阳”最先的纪录是由中国所创造的，它可以在一亿度的高温之下运行十秒钟，但是韩国所创的“人造太阳”可以在此高温的下面多运行十秒。而且韩国这次世界纪录最厉害的地方在于，他们完成这个过程只花了两年多的时间而已。“人造太阳”并不...

一亿度是什么意思?
答：一亿度是什么意思？一亿度是一个极高的温度单位，相当于10亿摄氏度。很难想象这么高的温度有多热。在这样的高温下，物质会变得非常不稳定，几乎无法存在，只有极为特殊的物质才能够在这样的环境下存活。一亿度一般只能在实验室中产生，并且需要消耗巨大的能量。一亿度在宇宙中很常见。例如，银河系中心的...

核聚变装置怎么承受1亿度的超高温?
答：核聚变装置怎么承受1亿度的高温？答。地球的一切物质都承受不了5千5百度的高温，能承受最高温度的就是，金属碳，也只能承受5千度。太阳的平均温度为6千度，这个是以白光子体为标准的。所以说1亿度高温，地球任何物质都是承受不了，但又话讲回来，宇宙空间没有任何一个恒星有一亿度的。科学家常说的...

什么材料可以承受1亿度高温?
答：摄氏温度）下维持了20秒钟。考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为"等离子体"。

实现人造太阳计划(二)——如何产生超过一亿℃的“等离子体”_百度知 ...
答：因此，让这些等离子体超过一亿摄氏度是产生核聚变最基本的条件。太阳的内核就是由这样的高温等离子体构成，从而使核聚变反应连续不断的发生。人类利用核聚变制造“人造太阳”的过程，离不开等离子体与超高温环境，本部分仅是从原理分析这些条件的必要性，那么如何产生出一亿摄氏度的高温以及如何制造出能够承受...

人工核聚变有办法控制一亿度,是不是以后上太阳也是可能的了?
答：还真有不怕烫的？核聚变的1亿摄氏度高温不是为登陆太阳准备的，是为了更好地实现可控核聚变，不是用常规的“材料”装高温等离子体，而是用磁场约束粒子。核聚变是用高温将气体加热使其成为等离子体，暴露出原子核，在高温中带电粒子热运动非常激烈，就可能碰撞发生核聚变。首次实现反应温度超过1亿℃是...