巨大的核能量

2018/1/11 9:59:21

太陽能來源于核聚變反應(yīng)，核電站能量來源于核裂變反應(yīng)，化石燃料（煤、石油、天然氣）燃燒能量來源于化學(xué)反應(yīng)。

1．1千克鈾-235相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤

燃燒煤是碳的氧化反應(yīng)，一個碳原子與一個氧分子結(jié)合生成一個二氧化碳分子，釋放出能量（E），這個能量小得很，只有4.1電子伏。燃燒1千克標(biāo)準(zhǔn)煤可釋放7000多千卡（1千卡=2.6×1022電子伏=4187焦耳）熱量。

碳（C）+氧（O2）→二氧化碳（CO2）+能量（E）

煤、石油、天然氣燃燒，都釋放化學(xué)能�；瘜W(xué)能是原子重新組合及其電子重新分配的結(jié)果，原子核本身并沒有發(fā)生變化。

核電站中發(fā)生的是鈾核裂變反應(yīng)，一個鈾核裂變釋放的能量約為200兆電子伏。

因為235克鈾中含有6.023×1023個（阿伏加德羅常數(shù)）原子核，1克鈾中含2.56×1021個原子核，所以說，1克鈾-235釋放的能量可達(dá)到5.12×1023兆電子伏。

 

燃燒	1千克鈾-235放出熱量	19 600 000 000千卡
燃燒	1千克標(biāo)準(zhǔn)煤放出熱量	7 000千卡
燃燒	1升重油放出熱量	9 900千卡
燃燒	1立方米天然氣放量熱量	9 800千卡

 

不難算出，1千克鈾-235裂變放出的熱量相當(dāng)于燃燒約2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤。同一質(zhì)量下，核能比化學(xué)能大幾百萬倍。

2．巨大的核能從何而來

我們知道，自然界中物質(zhì)都是由原子組成的。原子是由位于中心位置帶正電荷的原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)帶負(fù)電的電子構(gòu)成的。而原子核又由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子和中子是由被稱為“夸克”的更小粒子組成的，夸克又是由更小的粒子組成的，夸克的結(jié)構(gòu)目前正在探索中。迄今人們已發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)五個層次結(jié)構(gòu)（分子——原子——原子核——核子——夸克）和310多種基本粒子。

在原子核中，中子不帶電，質(zhì)子帶正電，同性要相斥，把質(zhì)子和中子緊箍在一個非常小的空間（原子核直徑約為10-13厘米）存在著一股巨大的力，科學(xué)家稱它為核力，核力比電磁力要大130倍。核力與電磁力、萬有引力都不同，它只在原子核直徑的很小范圍內(nèi)起作用。當(dāng)質(zhì)子和中子重新組成新原子核時，核力的強大作用使核子間排列得更緊密，會出現(xiàn)質(zhì)量減少和放出能量的情況，這種釋放出的能量，科學(xué)家稱之為原子核結(jié)合能。

3．請愛因斯坦來做解釋

大科學(xué)家愛因斯坦提出的相對論指出，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化，質(zhì)量消失，會產(chǎn)生能量。原子核質(zhì)量虧損所釋放出的結(jié)合能，可以由愛因斯坦提出的質(zhì)量能量關(guān)系式計算出來。

E=mc2

式中，E——釋放能量（單位，爾格）；m——虧損質(zhì)量（單位，克）

c——光速（單位，3×1010厘米/秒）。

按這個公式，一個鈾-235核受一個中子轟擊，分裂成兩塊碎片X1和X2（如：X1為93Nb，X2為140Ce），并放出2~3個中子（平均2.5個），釋放出約200兆電子伏能量（200MeV）。極小的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成極大的能量。

鈾-235 + 中子→X1 + X2 + 3個中子 + 200 MeV