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  • 原子核的奥秘:核力的发现

    千次阅读 2015-05-17 05:49:09
    在远古时代,物质由原子(Atom)构成,只是一种朴素的观念,没有实验依据。现今,大概”科盲“(只会贪吃)还保留这种观念。 十八世纪,英国大科学家道尔顿(John Dalton,1766-1844)第一次用实验证实了物质...

    在远古时代,物质由原子(Atom)构成,只是一种朴素的观念,没有实验依据。现今,大概”科盲“(只会贪吃)还保留这种观念。


    十八世纪,英国大科学家道尔顿(John Dalton1766-1844)第一次用实验证实了物质原子的存在,但是,他认为:原子是不可分的。


    1897年,英国科学家汤姆森(ThomsonJosephJohn1856—1940)发现,阴极射线管内发出的阴极射线在电场作用下,偏向正电极。这些是由阴极射线管内的原子分裂出来的带负电的粒子。他称其为”电子“(Electron)。电子的重量只有最轻的氢原子的二千分之一。汤姆森第一次提出原子是可以分裂的,修改了道尔顿的把原子看成是一个不可分的整体的观念。


    1911年,英国科学家卢瑟福(Ernest Rutherford1871-1937)用物理实验发现,原子具有很小的原子核(Nucleu),原子核只有原子的十万分之一大小。


    大家知道,纳米(nm)是微米的千分之一,而微米是毫米的千分之一。根据简单的计算,人的指甲每秒钟生长一个纳米长度,对此,人是察觉不到的。


    物质的原子有多大呢?一般而言,原子的直径只有0.1纳米,因而,原子核的直径只有纳米的百万分之一,也就是说,原子核的直径只有1飞米(单位fm,又叫”费米“)。因此,人们使用高倍电子显微镜也看不到原子核,原子核的奥秘只能借助物理实验来揭示。


    1931年,发现中子;1932年,人们终于认识到原子核是由质子与中子构成的。但是,带正电荷的质子怎么会挤在原子核这么狭小的空间之中?对此,传统的物理观念是解释不通的。由此导致”核力“(Nuclearforce)的发现。核力是强相互作用力,只能在短距离范围内发生作用,超出10纳米的范围就不起作用了。核力与电荷无关,可以把带正电荷的质子相互吸引在一起,形成紧密的原子核。


    核力从何而来?那就要涉及到”夸克理论”了。分支繁多的现代物理学,看不见,摸不着,全部建立在严格的物理实验之上。摈弃理论思维,整天吃吃喝喝,拉拉扯扯,甘愿作“科技文盲”是不可取的。



    袁萌 517



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  • 原子操作(atomic operation)指的是由多步操作组成的一个操作。如果该操作不能原子地执行,则要么执行完所有步骤,要么一步也不执行,不可能只执行所有步骤的一个子集。 现代操作系统中,一般都提供了原子操作来...

    int i =1 是原子操作吗?i++是原子操作吗?

    1、什么是原子操作

    原子(atomic)本意是“不能被进一步分割的最小粒子”,而原子操作(atomic operation)意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

    • 所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作;这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何 context switch(切换到另一个线程)。
    • 也可以这样理解:如果这个操作所处的层(layer)的更高层不能发现其内部实现与结构,那么这个操作是一个原子(atomic)操作。
    • 原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序不可以被打乱,也不可以被切割而只执行其中的一部分。将整个操作视作一个整体是原子性的核心特征。

    对于单处理器单核系统来说,只要保证操作指令序列不被打断即可实现原子操作(当然,对于内存的读写操作,需要地址对齐,否则就不是一次的内存读写了,当然也就不是原子操作)。

    • 对于简单的原子操作,cpu实现上会提供单条指令,比如INC和XCHG。
    • 对于复杂的原子操作,需要包含多条指令。执行过程中,出现上下文切换行为,比如任务切换,中断处理等。这里的行为会影响原子操作的原子性。因此需要自旋锁spinlock[1]来保证操作指令序列不会在执行的中途受干扰。

    但是如果对于多处理器或者多核的系统,原子操作的实现除了需要spinlock来保证外,还需要保证不会受到同处理器上其他核,或者其他处理器的影响。当其他核上执行的指令访问的内存空间,与当前原子操作需要访问的内存空间存在冲突时,就会破坏原子操作的正确性。

    • 在多核系统中,单个的机器指令就不是原子操作,因为多核系统里是多指令流并行运行的,一个核在执行一个指令时,其他核同时执行的指令有可能操作同一块内存区域,从而出现数据竞争现象。
    • 多核系统中的原子操作通常使用内存栅障(memory
      barrier)来实现,即一个CPU核在执行原子操作时,其他CPU核必须停止对内存操作或者不对指定的内存进行操作,这样才能避免数据竞争问题。

    2、示例:凡有赋值的操作在多线程环境都要加锁

    1、给整型变量赋值一个确定的值

    int a = 1;
    

    这种指令操作一般是原子的。因为对应着一条计算机指令,cpu将立即数1搬运到变量a的内存地址中即可:

    int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
    {
    	//example 1:
    	int a = 1;
    	//a=1 汇编指令
    	_asm
    	{
    		mov dword ptr[a], 1
    	}
    	printf("%d\n", a);
     
    	return 0;
    }
    

    2、变量自身增加或者减去一个值

    i++
    

    .i++分为三个阶段:在cpu执行时

    • 第一步,先将 count所在内存的值加载到寄存器;
    • 第二步,将寄存器的值自增1;
    • 第三步,将寄存器中的值写回内存。
    int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
    {
    	//example 2:
    	int a = 0;
    	//a++ 汇编指令
    	_asm
    	{
    		mov eax, dword ptr[a]	//step 1
    		inc eax			//step 2
    		mov dword ptr[a], eax	//step 3
    	}
    	printf("%d\n", a);
     
    	return 0;
    }
    

    现在假设a的值是0,有两个线程,每个线程对变量a的值递增1,我们预想的结果应该是2,可实际运行的结果可能是1!分析如下:

    //线程1
    void thread_func1(){
    	a++;
    }
     
    //线程2
    void thread_func2(){
    	a++;
    }
    
    • 我们预想的结果是线程1和线程2的三条指令各自执行,最终a的值为2。
    • 但是由于操作系统线程调度的不确定性,线程1执行完指令step1、2后,eax寄存器中的值为1。
    • 此时操作系统切换到线程2执行,执行指令step1、2、3,此时eax的值变为1;
    • 接着操作系统切回线程1继续执行,执行指令step3,得到a的最终结果1。

    3、其他示例
    把一个变量的值赋值给另外一个变量,或者把一个表达式的值赋值给另外一个变量,如

    int a = b;
    
    • 从C/C++语法的级别来看,这是也是一条语句,是原子的;
    • 但是从实际执行的二进制指令来看,由于现代计算机CPU架构体系的限制,数据不可以直接从内存搬运到另外一块内存,必须借助寄存器中断,
    • 这条语句一般对应两条计算机指令,即将变量b的值搬运到某个寄存器(如eax)中,再从该寄存器搬运到变量a的内存地址:
    mov eax, dword ptr [b]  
    mov dword ptr [a], eax 
    

    既然是两条指令,那么多个线程在执行这两条指令时,某个线程可能会在第一条指令执行完毕后被剥夺CPU时间片,切换到另外一个线程而产生不确定的情况。

    参考

    1、https://blog.csdn.net/hellokandy/article/details/87912086
    2、https://www.jianshu.com/p/a47b141452ce

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    物质:

    是由分子和原子组成的,分子的破裂和原子的重新组合是化学变化的的基础。

    分子:

    是由组成的原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体,这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。由于分子内原子间的相互作用,分子的物理和化学性质不仅取决于组成原子的种类和数目,更取决于分子的结构。

    分子扩展

    原子(atom):

    化学反应不可再分的基本微粒,原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子构成一般物质的最小单位,称为元素。已知的元素有118种。 [1-2]  因此具有核式结构。

    原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成。
    (氢原子例外,只由一个质子和一个电子组成)。

    原子扩展

    中子不带电,质子带正电,电子带负电。

    中子和质子由夸克组成。

    夸克(英语:quark):

    是一种参与强相互作用的基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子。强子中最稳定的是质子中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来,只能够在强子里面找到。基于这个原因,我们对夸克的所知大都是间接的来自对强子的观测。

    夸克扩展

    分子、原子、原子核、中子、质子、电子属于微观粒子,通称为量子。

    量子:

    一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念,指一个不可分割的基本个体。例如,“光的量子”(光子)是一定频率的的基本能量单位。而延伸出的量子力学量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的,而不是连续地任意取值。例如,在原子中,电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和描述自然的基本理论

    通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元

    量子扩展

    电子:

    是最早发现的基本粒子。带负电,电量为1.602189×10-19库仑,是电量的最小单元。质量为9.10953×10-28克。 常用符号e表示。1897年由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在研究阴极射线时发现。一切原子都由一个带正电的原子核和围绕它运动的若干电子组成。电子的定向运动形成电流,如金属导线中的电流。利用电场和磁场,能按照需要控制电子的运动(在固体、真空中),从而制造出各种电子仪器和元件,如各种电子管、电子显微镜等。电子的波动性于1927年由晶体衍射实验得到证实。

    离子:

    是指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个(氦原子)或没有电子(四中子)的稳定结构。这一过程称为电离。电离过程所需或放出的能量称为电离能。

     

    参考:

    http://www.mofangge.com/html/qDetail/05/c0/201310/rmc1c005145851.html

    https://blog.csdn.net/zkq_1986/article/details/79202425

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原子是由原子核和什么组成的