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    巨大的核能

    2017/9/11 13:57:07

    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(gè)碳原子與一個(gè)氧分子結(jié)合生成一個(gè)二氧化碳分子,釋放出能量(E),這個(gè)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。化學(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(gè)鈾核裂變釋放的能量約為200兆電子伏。
    因?yàn)?35克鈾中含有6.023×1023個(gè)(阿伏加德羅常數(shù))原子核,1克鈾中含2.56×1021個(gè)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(gè)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(gè)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(shí),核力的強(qiáng)大作用使核子間排列得更緊密,會(huì)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(duì)論指出,質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化,質(zhì)量消失,會(huì)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(jì)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(gè)公式,一個(gè)鈾-235核受一個(gè)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(gè)中子(平均2.5個(gè)),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(gè)中子 + 200 MeV

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