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单个气体粒子撞击纳米小球作用力首次测量

2026-10-27 09:19:34
来源：新浪网

科学家在实验中用激光捕捉到一个纳米球体（中心的亮点）。该实验揭示了

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科学家在实验中用激光捕捉到一个纳米球体（中心的亮点）。该实验揭示了单个气体粒子的碰撞作用力。图片来源：美国耶鲁·赖特实验室

美国耶鲁大学研究团队在最新一期《物理评论快报》发表研究称，他们测量了单个气体粒子（原子或分子）撞击一颗悬浮纳米小球时产生的微小作用力。这项技术未来有望用于太空等极低气压环境的压力测量，还能分辨气体的种类。

气体产生的压力，通常来自海量粒子集体碰撞的叠加效应，而单个粒子的撞击力极其微弱，长期以来难以直接捕捉。而用激光悬浮住微小颗粒的技术已有数十年历史，这也是精密测量领域的重要工具。近年来，科学家开始用悬浮纳米小球感知极微弱的力，但要分辨出单个气体粒子的撞击力，对测量精度仍是极大挑战。

为攻克这一难题，研究人员用激光将一颗纳米小球悬浮在真空腔内。这颗纳米小球直径仅100纳米，重约千万亿分之一克，其质量是单个气体粒子的1000万倍，任何一次碰撞引起的晃动都微乎其微。研究团队通过监测球体反射的激光信号，成功捕捉到了它被撞击时的细微位移。

实验中，研究人员向真空腔内注入少量重气体，包括由原子构成的氪气、氙气，以及由分子构成的六氟化硫。测量结果显示，单次碰撞产生的冲量最小仅为十亿分之一牛顿，持续时间仅十万亿分之一秒。随着腔内气体增多、压力上升，碰撞频率也相应增加，两者之间呈现明确的对应关系。

正是这一对应关系，让悬浮纳米小球有望成为一种新型压力传感器，尤其适用于太空、真空装置等常规手段难以胜任的极低气压环境。研究还发现，不同气体与纳米小球的相互作用方式存在差异，系统因此能够区分气体的种类。

参与研究的耶鲁大学物理学家表示，这类装置不仅能帮助揭示太空环境中的粒子构成，未来甚至可以部署到其他星球上，用于探测和研究当地的环境。（记者张梦然）

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[责任编辑：{haixiayule]

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