质能转换?真的不是核爆的专利

作者:寒木钓萌来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-10-12

核裂变和核聚变的本质就是质能转换,而普通大众常以为质能转换只发生在核弹的爆炸中,核电站的运行中以及太阳核心发生的反应中,但是其实,物理学家告诉我们,质能转换很普遍,就发生在我们的身边。

  几乎所有人都理解核裂变和核聚变的原理,但今天我们还想走得更深入、更本质一些。

质能转换总是轰轰烈烈?No!

  众所周知,两个较轻的原子核,结合成一个较重的原子核时,总质量会变小,并放出巨大的能量(这是氢弹的过程)。不要以为这种轰轰烈烈的现象,只会发生在像太阳这样的恒星中,以及人类制造的氢弹中。

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  其实,我们平常看到的一些现象,也是因为质量发生极其微小的变化,才放出能量的。比如,两个氢原子和一个氧原子结合在一起,构成水分子时,一个水分子的质量一定小于两个氢原子加上一个氧原子的质量之和。减少的那部分质量呢,就转化为:氢气在氧气中剧烈燃烧,放出的大量热量。

  而且,一个电子和质子结合而成氢原子时也会放出能量。

纸张

  再比如,燃烧一张纸时,如果我们能非常精确地称量纸张燃烧后产生的所有东西(如灰烬和各种气体)的质量,就会发现,原来的纸张中有一小部分质量消失了——这部分消失的质量,就被转化成了能量。

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  此说法来自《可畏的对称》一书,此书作者徐一鸿,是一位出生在中国、在巴西长大的美籍华裔物理学家。

  这就给了我们一个重要的启示:我们需要站在一个更高的角度来认识“质量和能量”的正确关系,即质量就是锁闭起来的能量,而能量就是释放了的质量。

  能量和质量的转换并不全是发生在宇宙的恒星中,爆炸了的核弹中,而是一种非常普遍的现象,它就时时刻刻都发生在我们的日常生活中,发生在我们身边。只不过,发生在我们日常生活中的质能转换,在化学教科书中通常将之叫作化学能,但化学能更深的本质还是质能转换。

  根据爱因斯坦的质能方程,1克的质量如果全部转化为能量的话,大概跟1000吨TNT炸药放出的能量差不多。如果将这些质量全部转变成电能的话,结果更是惊人,它们足够维持一个100瓦的灯泡持续不断地亮上35000年。

氢弹爆炸

氢弹爆炸

  目前,效率最高的质能转换发生在核聚变(氢弹)中,其次是核裂变(原子弹)中,一个小小的铀原子,其发生裂变时放出的能量,足以让一粒沙子发生移动。

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  虽然从表面上看,原子弹和氢弹的反应原理各不相同,但是,其本质是完全一样的:都是由质量转换成了能量。

核子是个偏心眼儿

  铀元素是第92位元素,所以,在铀核里面,肯定住着92个质子。除此之外,跟质子同处一核的,还有许多中子。中子的数量是不固定的,有的铀核中有146个中子,146加上92等于238,因此,我们把这类铀原子称为铀238;有的铀核中只有143个中子,143加上92就是235,于是,我们把它称为铀235。

  原子核里面的质子和中子统称为核子。为了便于说明问题,咱们暂时先把每一粒核子比作一粒葡萄,那么铀235就相当于一大串诱人的葡萄。

  如果把235粒独立的葡萄聚合在一起,总质量肯定会减少。假设总质量减少了235毫克,那么平均下来,1粒葡萄就减少了1毫克。

  现在,我们再把这一大串葡萄分成大小差不多的两小串葡萄。按常理推论,把这两小串葡萄的质量相加,应该等于之前那一大串葡萄。可奇妙的事情又发生了,这两小串葡萄的质量之和,竟然小于那一大串葡萄,足足又少了235毫克,那也就是说,平均每粒葡萄在原来的基础上又减少了1毫克,这是为什么呢?

铀原子核的裂变

铀原子核的裂变

  难道……核子在组成不同的原子核时,损失的质量是不一样的?同样一个核子,在铀核里面,它减少的质量要少一些;当它在别的原子核里时,减少的质量就会多一些?这是真的吗?

  是的。这就是为什么,两个中等大小的原子核聚变成铀核时,需要吸收能量,因为铀核的质量增加了。这种情况通常发生在恒星最后的大爆炸中,那些比太阳还大的恒星,当它们的内部产生了铁、镍等元素后,基本上就可以宣布,此恒星已经玩完了,因为它们的‘核燃料’已彻底用完。这个时候,因为万有引力,这个将死的恒星会向中心极速收缩,最后发生一次惊天大爆炸。大爆炸产生的能量非常高,所以,很多像铀这样的重元素就在这次大爆炸中合成了,是恒星最后的大爆炸为两个中等的原子核聚合成铀核提供了大部分能量。

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  图为1054年发生的一次超新星爆发后的遗迹,我国宋朝的天文学家当时记录了这次天文事件。像银、金、铀等等这些重元素就合成于恒星的大爆炸中

  反之,当铀核分裂成大小差不多的两个原子核时,又会把之前吸收的能量放出来,此时,每个核子的质量就会再次减少了。

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  这个过程就告诉我们:核子是偏心的,当它们在铀核家的时候,质量就少损失一点,而在其他家的时候,比如在铁核家时,就会多损失一点。

  至于核子为什么是偏心眼儿,而且单单偏袒铀核家,呵呵,这暂且还是大自然的秘密。

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