巨大的核能量

2018/1/11 9:59:21

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

1．1千克鈾-235相當于2700噸標準煤

燃燒煤是碳的氧化反應，一個碳原子與一個氧分子結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1千克標準煤可釋放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，都釋放化學能。化學能是原子重新組合及其電子重新分配的結果，原子核本身并沒有發生變化。

核電站中發生的是鈾核裂變反應，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）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	1千克標準煤放出熱量	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于燃燒約2700噸標準煤。同一質量下，核能比化學能大幾百萬倍。

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帶負電的電子構成的。而原子核又由質子和中子組成的。質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，夸克的結構目前正在探索中。迄今人們已發現了物質五個層次結構（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，質子帶正電，同性要相斥，把質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起作用。當質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，會出現質量減少和放出能量的情況，這種釋放出的能量，科學家稱之為原子核結合能。

3．請愛因斯坦來做解釋

大科學家愛因斯坦提出的相對論指出，質量和能量可以相互轉化，質量消失，會產生能量。原子核質量虧損所釋放出的結合能，可以由愛因斯坦提出的質量能量關系式計算出來。

E=mc2

式中，E——釋放能量（單位，爾格）；m——虧損質量（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）。極小的質量轉化成極大的能量。

鈾-235 + 中子→X1 + X2 + 3個中子 + 200 MeV