科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子--带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏1万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电--球状闪电--是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料”美国政府定义了多少种？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432055.htm

科学简单点：什么是氢能源？

科学简单点：什么是氢能源？但是，如果我们的飞机和汽车不向环境排放有害的温室气体，而是利用太阳或风力发电，以水为燃料呢？如果这种可再生燃料可以为电网提供后备电力，并且可以从全国各地的加油站购买呢？在这段科学101视频中，科学家DebolinaDasgupta和NancyKariuki介绍了氢能的科学、技术和应用。氢是最简单的化学元素或原子类型，我们星球上的水中存在大量的氢。它可以通过水循环自然更新，用作燃料时也不会释放有害物质。由于这些原因，氢气可以在促进清洁环境和减少从交通到电网等领域的温室气体排放方面发挥重要作用。美国能源部阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）的科学家们正在利用世界一流的设施和专业知识来降低制氢成本，并为氢动力汽车开发经济实惠的燃料电池。他们还在评估氢的生产、运输、储存和使用方法，以最大限度地减少温室气体排放。科学家们正在努力利用氢气中的能量将这一愿景变为现实，氢气有望在促进更清洁的环境和实现美国到2050年实现碳净零排放的目标方面发挥重要作用，换句话说，就是以与碳排放相同的速度从大气中清除碳。氢是最简单的化学元素或原子类型。它仅由一个质子和一个电子组成。它也是最丰富的元素，约占宇宙中已知物质的75%。水和生物体中都含有大量的氢。我们星球上的水中蕴含着丰富的氢气，它可以通过水循环自然更新。当用作燃料时，它不会释放出碳，因此是一种很有前途的清洁能源。资料来源：阿贡国家实验室氢分子由两个氢原子组成，可用于生产无碳能源。氢分子携带大量能量；一磅氢的能量几乎是一磅汽油或柴油的三倍。然而，氢分子在地球上并不丰富，只占大气层的不到0.0001%。因此，氢必须从含有氢的其他物质中产生。不使用化石燃料的最常见制氢方法是利用电力将水（H2O）分离成氢（H2）和氧（O2）。这一过程被称为水电解，是一种很有前景的无碳制氢方法，因为电力可以来自核能或可再生能源，如风能和太阳能。科学家和工程师们正在努力改进水电解制氢工艺并降低其成本。在电解过程中，水在阳极分裂成氧气、氢离子和电子。电解质材料允许氢离子通过，但迫使电子单独流向阴极，两者在阴极重新结合形成氢气，用作燃料。资料来源：阿贡国家实验室他们还在开发通过利用和模仿光合作用等生物过程，将太阳能和水直接转化为氢气的方法。氢气生产出来后，有几种使用氢气作为能源的方法。最主要的是燃料电池，它能将氢气和氧气中储存的化学能转化为电能。与汽油发动机不同，燃料电池不会排放二氧化碳等有害气体。与电池不同，燃料电池系统不需要长时间停机充电。与汽油发动机一样，燃料电池系统也可以使用氢气进行补充燃料。氢可以在燃料电池中使用，也可以在发动机中作为燃料燃烧。科学家和工程师们正在努力改进这些技术，以取代化石燃料在交通和电网中的使用。资料来源：阿贡国家实验室正在为汽车、卡车、叉车、公共汽车、轮船和火车开发的一种氢燃料电池将氢分子分裂成电子和质子。电子被迫流经电路，产生可用的电力。同时，质子能够通过薄膜，最终与电子重新结合，并与空气中的氧分子发生反应，生成水，这是唯一的排放物。美国能源部阿贡国家实验室的科学家们正在利用世界一流的设施和专业知识推动氢科学和技术的发展。研究人员正在降低制氢成本，为氢动力汽车开发经济实惠的燃料电池。他们还在评估氢的生产、运输、使用和储存方法，以最大限度地减少温室气体排放。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？科学简单点：什么是自主发现？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426390.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426390.htm

科学简单点：什么是纳米科学？

科学简单点：什么是纳米科学？"纳米"一词的意思是某物的十亿分之一。纳米科学中的"纳米"指的是纳米，即十亿分之一米（1米=3.3英尺）。那到底有多小？在这段"科学101：什么是纳米科学"的视频中，助理科学家徐杰解释了什么是纳米科学，以及阿贡纳米材料中心（CNM）如何应用纳米科学。纳米科学是一门研究微小到只有最精密的高科技显微镜才能看到的尺寸的科学。它是所有科学中最热门的话题之一。每年，数百名科学家从世界各地来到CNM，研究原子和分子尺度的材料特性。通过推进我们对这种尺度的材料结构的理解，阿贡的科学家们（如徐和许多其他科学家）对纳米尺度的特性以及如何将它们用于实际用途有了更深入的了解。凭借这些知识，他们正在设计和制造下一代材料。这些材料将带来可持续的绿色技术、更高效的大规模制造、新药物、对阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等脑部疾病的创新治疗、改良的电池材料、更好的电子设备等。假设你身处爱丽丝梦游仙境的世界，偶然发现瓶子里有一种神奇的药水，瓶子上写着"DRINKME"。你喝了一口，就缩小了1500倍。你现在的大小只有一毫米，只有小雨滴那么高。好奇的你又喝了一口魔药，体积缩小了一千倍。你现在只有一微米大小，和雨滴中漂浮的细菌差不多大。你再喝一口，又缩小了一千倍。在达到纳米级大小后，你现在只比由两个氢原子和一个氧原子组成的单个水分子大三倍左右。在一颗雨滴中，有超过六千万亿个水分子。六千万是数字1后面加21个0。由于所有材料都是由原子和分子构成的，因此这种超微尺度的科学为社会带来了许多益处。而相同的原子和分子以不同的方式结合在一起，可以产生无穷无尽的特性。它们可以变得更柔软或更坚固，可以更好地导热或导电，可以以不同的方式反射光线，等等。在阿贡国家实验室，纳米材料中心（CNM）是美国能源部在纳米科学和技术领域的五个中心之一。通过推进我们对材料、分子和化学过程在这一尺度上的理解，这些中心的科学家们对如何产生可用于实际用途的特性有了更深入的了解。利用这些知识，他们正在设计和制造下一代材料和分子。这些研究将带来可持续绿色技术、更高效的大规模制造、新药物、阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等脑部疾病的治疗、改良电池材料、新型量子信息和传感设备等。资料来源：阿贡国家实验室只有最高科技的显微镜才能看到的结构。纳米结构的一个或多个尺寸比人的头发丝粗细小十万倍，比金原子或水分子大不了多少。纳米结构的种类数不胜数。20世纪80年代，随着降压球的发现，人们对纳米结构产生了浓厚的兴趣。BUCKYBALL以建筑师巴克明斯特-富勒（BuckminsterFuller）的名字命名，由60个碳原子连接成足球形状。它的合成促成了碳纳米管和石墨烯的发明。石墨烯这种纳米材料是由厚度不到一纳米的碳原子组成的平面薄片。尽管超薄，石墨烯的强度却比钢铁高出200倍。碳纳米管科学家可以将石墨烯卷起形成纳米管。这种形状在许多应用中都很有吸引力，如制造超强纤维和织物。它还可作为添加剂用于强化航空航天飞行器。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425632.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425632.htm

科学简单点：什么是 X 射线光源？

科学简单点：什么是X射线光源？在这段"科学101：什么是X射线光"的视频中，科学家杰西卡-麦克切斯尼（JessicaMcChesney）和吉尔伯托-法布里斯（GilbertoFabbris）解释了什么是X射线光，以及他们如何在阿贡高级光子源（APS）使用X射线光。X射线光是存在于电磁波谱中的高能量光。该光谱包括所有电磁波的范围，从能量最低的长波（调幅无线电波）到中间波（可见光），再到能量最高的短波（伽马射线）。阿贡的APS使用的是波长较短的X射线。较短的波长允许X射线穿过许多物质，这使得像杰西卡和吉尔伯托这样的科学家能够深入观察物体，发现有关材料结构和功能的新知识。APS是世界上最强大的X射线光源之一，每年有来自世界各地的5500多名科学家利用这个巨大的研究设施测试新材料、制造更好的电池，并为人类面临的最大问题寻找解决方案。要做到所有这些，还需要一个强大的X射线光源。X射线是一种光，但它并不是人们听到这个词时通常会想到的可见光。您可能对牙医用来拍摄牙齿内部照片的X光机并不陌生。先进光子源（APS）是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，位于能源部阿贡国家实验室，它能产生类似的X射线光，但比X射线光亮十亿倍。这么亮的光能做什么？APS的工作原理就像一台巨大的显微镜，但与可见光不同，X射线具有穿透力，使科学家能够看到材料的深处。例如，X射线束可以聚焦得很紧，科学家可以用它来"看"电池在使用过程中内部发生了什么，从而开发出更节能的电池。几十年来，APS和世界各地的其他光源一直在改善我们的生活。为它们提供动力的技术--粒子加速--早在20世纪20年代就已出现。电磁波谱是各种电磁辐射的范围--能量在传播过程中会扩散开来。太阳的温度比地球高得多，因此它发出的辐射能量较高，波长较短。资料来源：美国国家航空航天局APS的核心是一个储藏环，周围约三分之二英里。它非常大，可以容纳一个棒球场。它的工作是以接近光速的速度，高精度地循环着被称为电子的粒子。电子每天在这个环上绕行数十亿次，在轨道的每一个弯曲处都会释放出耀眼的光芒。APS将这些光发送到环周围的实验站，在那里进行不同类型的科学实验。APS是一个国家用户设施，这意味着全世界的科学家都可以使用这一资源。科学家使用它不收取任何费用，但他们的数据必须公开发布。每年，来自世界各地的5500多名科学家利用APS研究各种各样的问题，从应对温室气体的新方法到加固道路和桥梁的新方法。自20世纪90年代建成以来，APS一直是世界领先的X射线光源，而它的未来将变得更加光明。一次大规模的升级将取代目前的存储环，它所产生的X射线亮度将是现在的500倍，从而能够进行更多的实验和创新，改善我们的生活。与世界各地的其他光源一起，APS将继续使科学家们能够让我们更健康、更安全，并增进我们对周围世界的了解。资料来源：阿贡国家实验室X射线光源如何工作？先进光子源可以产生超亮的X射线束，为新发现照亮道路。先进光子源（APS）等强大的光源与牙医使用的X光机类似，只是它产生的光亮度要高出十亿倍。APS的核心是一系列被称为加速器的机器，它们使用磁铁移动被称为电子的微小粒子。电子聚集在一起，沿着直线加速器直线运动。粒子积聚环可将成串的粒子更紧密地聚集在一起。助推器环在它们积累速度和能量的过程中使它们循环。然后，粒子被注入存储环。电子每天在这个环上绕行数十亿次。在轨道的每一个转弯处，它们都会释放出光子粒子形式的光。这些光子就是X射线光，它们被发送到环上的各个科研站。科学家们利用这种非常明亮的光线来观察材料的内部深处。相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426056.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426056.htm

科学简单点：什么是核能？

科学简单点：什么是核能？罗杰-布隆奎斯特（RogerBlomquist）是核工程部门的首席核工程师，他将为您解析核能--世界上最大、最可靠的清洁能源。美国每天有数千万人依靠核能发电，为他们的家庭提供电力。将核能转化为电能的过程始于核反应堆。在反应堆中，一种名为铀的元素的原子发生分裂，产生热量。热量被用来产生蒸汽，然后蒸汽被用来转动风力涡轮机，进而产生电力。与燃料燃烧相比，核能发电过程不会释放二氧化碳、烟尘或其他有害化学物质，因此是一种零排放能源。原子分裂时，核反应堆会释放热量，这一过程被称为裂变。原子是物质的组成部分，由三种粒子组成--中子和质子结合在一起，形成所谓的原子核；电子是绕原子核旋转的带负电荷的粒子。核反应堆分裂铀原子（一种轻微放射性元素），形成热量。这一过程会释放出热量和中子。其中一些中子继续与其他铀原子碰撞，导致它们发生裂变，从而使核反应持续进行。这一系列裂变反应都发生在核反应堆中被称为"燃料棒"的部分内。"燃料棒"是一个焊接封闭的长圆柱形管，内装铀。一个燃料组件由100到200根燃料棒组成。整个反应堆堆芯由数百个燃料组件组成，这些燃料组件被挤压成一个大圆柱形，因此一个反应堆堆芯中通常有数万根燃料棒。在典型的核电站中，水流过反应堆堆芯中的燃料棒对其进行冷却。这种热量会提高水的温度，使其变成蒸汽。蒸汽被输送到与发电机相连的涡轮机。蒸汽压力使涡轮机旋转，有点像风车。发电机和所有其他发电机一样，利用涡轮机的机械运动来发电。最后，蒸汽在通过涡轮机后会被冷却，转换成水，以便再次使用。与燃烧化石燃料不同，裂变不会释放二氧化碳、烟尘或其他有害化学物质，因此它是一种零排放能源。虽然最常见的两种类型是压水反应堆（PWR）和沸水反应堆（BWR），但新的核反应堆设计已经开发出来。如今，核反应堆的开发仍在继续，因为这些技术和更新的先进反应堆技术可以帮助满足世界日益增长的能源需求，同时不会导致全球变暖。美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）等实验室站在推动核能发展的最前沿。在能源部的支持下，阿贡的科学家们正在研究新的反应堆设计和燃料循环技术，这些设计和技术可以提高安全性、提高核电厂的运行效率、减少核废料的数量并缩短建造时间和降低成本。他们的工作建立在该实验室悠久的核研究传统之上。从20世纪40年代开始，阿贡在开发核能的和平用途方面一直处于领先地位。阿贡的研究、设计和实验构成了当今所有商用核反应堆的基础，同时阿贡的研究人员也站在下一代反应堆新进展的最前沿。核电站原理图：当脆弱的铀-235（U-235）原子核被中子撞击时，核反应堆中的铀就会分裂或裂变，从而产生热量。与此同时，裂变会产生几个中子，这些中子会继续引起更多的裂变，从而提供平稳、稳定的热量供应，用于发电。使用极少量的燃料就能产生巨大的热量，进而产生电力。可靠的清洁能源，可在美国经济去碳化过程中发挥重要作用。相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425380.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425380.htm

科学简单点：什么是自主发现？

科学简单点：什么是自主发现？在本系列报道中，计算机科学家凯西-斯通（CaseyStone）和阿贡国家实验室纳米材料中心主任伊尔克-阿尔斯兰（IlkeArslan）将为我们介绍自主发现的内幕。自主发现是一个利用机器人技术、人工智能和机器学习的过程，以前所未有的速度为世界带来科学突破。自主发现正在彻底改变人们从事科学研究的方式。展望未来，这些过程将帮助科学家找到解决方案，使人类更安全、更健康、更能抵御气候变化的影响。假设你遇到了塑料污染这样的问题，你需要一种更容易回收或再利用的新型塑料。可能有效的聚合物有成千上万种，而且在测试过程中可能会涉及有害化学物质。在过去，我们可能需要几名研究人员在实验室工作台同时测试一种聚合物。而这一过程将耗时数年。通过自主发现，人类研究人员将问题交给了机器人和人工智能。研究人员使用一种叫做机器学习的方法，用庞大的数据集来训练人工智能。这就为人工智能提供了我们已经知道的有关塑料回收、化学过程和潜在聚合物结构的所有信息。人工智能利用这些信息做出最佳决策，决定下一步运行哪些实验。机械臂和采样机每天24小时运转，让研究人员安全地远离化学品或其他潜在风险。通过机器学习，人工智能会变得越来越聪明，寻找新的模式和新的实验。人类科学家可以自由地使用他们富有创造力的大脑袋来解释最有趣的结果并采取行动。自主发现将帮助科学家在几天或几周内找到复杂问题的解决方案，而不是几年或几辈子。人类的智慧和想象力仍然是这一创新的核心。阿贡的科学家和技术人员正在寻找创造性的方法来应用自主发现的工具：我们正在创建实验室的"数字孪生体"。这些虚拟现实模型可以帮助研究人员测试机器，并找出在现实生活中的生物和化学实验室安装设备的最佳方法。我们正在探索从抗药性细菌的新疗法到植物如何在土壤中储存碳等一切问题。我们正在构建和解构聚合物链，以找到塑料回收和再循环的新方法。我们正在使用一些世界上最快的超级计算机来运行人工智能和处理来自大规模实验的数据。自主实验室正以前所未有的速度、效率和准确性，帮助将科学解决方案带入我们的生活。这不仅将彻底改变我们从事科学研究的方式，还将推动我们进入一个全新的发现时代。资料来源：阿贡国家实验室自主发现这种新的科学方法将以前所未有的速度带来新的发现。人脑是一台神奇的科学解题机器，但在人类研究人员需要进食或睡觉之前，人体只能解决这么长时间的问题。当今最大的挑战，如气候变化、新出现的疾病和塑料污染，不会等我们去吃个三明治或打个盹。我们现在就需要答案。这就是科学家们从机器人技术、人工智能（AI）和机器学习中获得帮助的原因。我们定义一个问题。人工智能利用机器人系统识别、设置并运行数百个实验，这些机器人系统可以全天候处理问题。通过机器学习，人工智能会变得越来越聪明，寻找新的模式和新的实验。人类科学家可以自由地使用他们富有创造力的大脑袋来解释最有趣的结果并采取行动。自主发现将以100倍甚至1000倍的速度为我们带来解决方案。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426289.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426289.htm