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原子能的素质是什么? 精选

已有 4740 次阅读 2018-12-6 13:37 |体系分类:科普集锦

能量有多种情势,好比辐射能、热活动能量、化学能量等,此中用于生存、取暖和、发电的煤和自然气所包含的能量属于化学能,即原子外层价电子之间的互相作用能量转变而开释的。人类使用化学能由来已久,如原始社会中人类就开端渐渐认识的火。

原子能则是人类在20世纪的创造。那么“原子能”究竟是什么呢?许多人都晓得,“原子能”不是经过原子外层电子化学键转变而开释出来的。以是,固然海内有“中国原子能迷信研讨院”如许的着名科研单元,日本也有原子力研讨所,“原子能”在称谓上大概照旧有些名存实亡,而“原子能”的又名“核能”好像显得符合得多。简直,“原子能”的源就在于原子核。

那好吧!那么“核能”的素质又是什么?很多人第一印象大概是,“核能”的素质大概是原子核开释了部门的强互相作用能量,而这个印象实在也是极大的曲解。

本文讨论这方面的一个简朴图象:核反响堆中重原子核裂变历程开释能量险些全部来自于原子核内的静电能量,即原子核开释了质子之间部门静电互相作用能量;而真正来自于强互相作用的能量并未几!并且来自强互相作用的部门起了相反的作用,即反而吸取能量!!

许多人对付这个说法大概内心面一下子转不外弯,由于我们谈到原子核时,总是说:“原子核是什么?原子核是由质子和中子(统称为核子)构成的强互相作用的量子多体体系。”质子与正电子的电荷雷同,中子不带电(为了方便,上面我们把原子核内的质子数和核子数辨别标志为 ZA)。由于核子之间的强互相作用是吸引的,比静电互相作用的强度大,因而核力才气降服质子之间的静电排挤,而把一堆带有正电荷的质子们以及不带电的中子们牢牢地连合在一同。在研讨质子数比力小的原子核布局研讨中,人们还每每完全纰漏质子之间的静电能量带来的能级转变;而这里宣称原子核裂变能量来自于质子之间的静电能,这是怎样回事呢? 大概有些太稀罕了吧!

在开端答复这个题目之间,我们先认识一下重核裂变历程开释的能量。

能量的国际单元是焦耳,但是焦耳这个单元用来形貌微观体系来说太大了。在研讨原子布局时能量人们常用电子伏特代替焦耳,一个电子伏特即是 1.602 乘以 10 的负19次方焦耳;在核物理中人们常用兆电子伏特形貌能量,兆电子伏特即是1百万电子伏特即1.602 乘以 10 的负13次方焦耳。选取这些单元既方便又在数值上大小适中,也容易构成风俗;这就象盘算中国GDP的单元要用万亿元人民币为单元,而不因此几多分钱为单元。

人们在形貌原子核联合得能否精密时,一样平常接纳单核子联合能;单个核子联合能越大,原子核内核子的联合就越紧。原子核单核子联合能在核子数A60左右时获得最大值,约莫为每核子8.8兆电子伏特; 核子数A 110 左右时约莫每个核子联合能为 8.5兆电子伏特;在很重的原子核如A 240左右时约莫为7.5兆电子伏特,因而要是重原子核能一分为二,那么产品中的单核子联合能就会增长,即原子核内的质子和中子联合得更精密,如许就能开释能量。比方铀元素(质子数为92)的同位素核子数A约为240,要是裂变为两个相称质量的两个原子核,那么均匀每个核子约莫开释 1兆电子伏特的能量。这里每个核子开释1兆电子伏特的能量便是我们下面说的“原子能”。经过裂变反响,每个铀原子核开释出约240 兆电子伏特的能量,而通常的柴炭熄灭历程(即一个碳原子加一个氧分子天生二氧化碳)只开释电子伏特量级的能量。因而,要是得到异样数目的能量,“原子能”比化学能着实高效得太多了。

上面我们分两步来阐明重核裂变历程中均匀每个核子所开释1兆电子伏特能量的劈头。 末了结果是重核裂变历程中原子核内质子之间静电互相作用大幅低落,每个原子核可以开释出300 多兆电子伏特的能量;同时,原子核裂变后原子核一分为二时的外貌积增长,这又必要吸取约100 多兆电子伏特的能量。重核裂变历程所开释的总能量正是由这两部门所主导。

我们上面就讨论在重核裂变前后的能质变化。第一步我们先看这个原子的静电互相作用能究竟有多大。静电能量属于经典力学领域,为了简朴我们把原子核看作一个匀称带电球体,这个球体的静电能量很容易用经典力学的要领求出来。在很多电磁学或电动力学习题或例题中曾经给出答案,这里仅仅援用结果:a *Z^2/A^{1/3} 这里 a 为比例系数,数值约莫为 0.72 兆电子伏特。这个结果固然普通而陈腐,但是很好地反应了现实环境。现在研讨原子核质量时关于静电互相作用能量的情势和参数仍旧与这个结果很靠近。

我们仍旧以铀元素的同位素为例,总的静电能量约为 0.72 * 92^2 / 240^{1/3} ~ 1000 兆电子伏特。要是铀同位素裂酿成两个雷同的原子核,这两个原子核的总静电能量为 2* 0.72 * 46^2 / 120^{1/3} 兆电子伏特,这个历程中静电能量淘汰了 

            0.72 *( 92^2 / 240^{1/3} – 2 * 46^2 / 120^{1/3}) ~ 360 (兆电子伏特)

这相称于每个核子可以由此得到 360/240 = 1.5兆电子伏特的能量。

下面曾经提到,铀同位素裂变时,每个核子均匀开释能量约 1兆电子伏特,而裂变历程中来自于静电效应就孝敬了 1.5 兆电子伏特。那么剩下的0.5 兆电子伏特又丢到什么中央去了?这便是我们上面讨论的第二步。

这里我们必要看看原子核内强互相作用的特点,终究原子核内的互相作用因此强互相作用为主的。原子核的联合能固然随着核子数有迟钝变革,不外团体而言联合能类似地反比于原子核的核子数,这是原子核联合能最紧张的部门。这阐明了什么?

答曰:这阐明原子核内的强互相作用重要是短程吸引的。要是强互相作用是长程力,那么原子核内全部的质子、中子之间都存在强互相作用,总联合能就会类似反比于核子数的平方,而不再是反比于核子数了。因而,原子核内的核子们只与最相近的核子互相作用。原子核总联合能中的这部门能量称为联合能的体积项。

使用原子核内强互相作用的这个特点,作为一个简朴图象我们可以把原子核看作是立方晶格布局(接纳别的晶格布局也不影响结果),最相近的核子之间存在着键,每个键孝敬一个吸引势能。在原子核外部,每个核子与别的核子共享6个键(上、下、前、后、左、右),相称于每个核子孝敬3个键(每个键都与别的核子共享才气存在,以是必要除以2)。要是如许盘算,来自强互相作用的联合能即是 3*A* V0, 这里A仍旧为核子数,V0 为每个键的能量。

但是这个盘算中没有思量处于外貌的核子形态,处于原子核立方体的八个极点的核子与别的核子只共享了3个键、处于12个棱上的核子每个只孝敬了4个键、处于六个外貌内的核子每个核子只孝敬了5个键。这阐明原子核外貌的存在低落原子核的总联合能,要是原子核的外貌积增大,原子核的联合能低落,这必要提供能量才气做到。

在生存中用菜刀切豆腐,一刀下去,一块豆腐酿成两半。这时间豆腐有什么变革?内里没有变革,不外豆腐的总外貌积增长了,两块豆腐外貌积比原来一块豆腐的外貌积增长了2倍的刀口切过的面积。原子核裂变也可以大抵云云明白:原子核裂变后,大幅增长了外貌(注:容易晓得重核裂变所增长的外貌积在数值上类似反比于 2 (A/2)^{2/3} - A^{2/3}),这就必要吸取外界能量。这个“外界”能量正是由原子核内质子之间的部门静电能在裂变历程开释出来而提供的。简朴预算可以给出,每个铀同位素裂酿成两个质量大抵雷同的两个原子核必要100 多兆电子伏特的能量。

原子核裂变历程比上述历程庞大,好比铀核素裂变历程放出大批的中子。但是,这些自在中子同时淘汰了产品的对称能和体积能(即后面讲的3V0);两者自己数值上变革很小,并且互相抵消。

综上所述,原子核的联合能重要孝敬者包罗体积能、外貌能、静电能和对称能在重原子核裂变历程中,曾经全部退场、表态,并完成了全部演出。联合能中特殊紧张的体积能和对称能在重核裂变历程中能量增益方面的脚色黑白常主要的;起决议作用的是静电能和外貌能。 下面所形貌的简朴图象,即重核裂变历程中开释了静电能300 多兆电子伏特,同时必要100 多兆电子伏特能量增长产品的外貌,基本勾画了原子核裂变历程能量劈头的现实环境。

    我们再次反复以下本文的结论:使用反响堆完成重核裂变得到的原子能,实在称为静电能更为妥当,静电互相作用能是此中的真正好汉。原子核的强互相作用能量,在重原子核的裂变历程中反而并没有做什么功德,因而“核能”也属于滥竽充数者。

    不外,在实际生存中雷同的名存实亡事变还少吗?




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