巨大的核能量

2018/1/11 9:59:21

太阳能来源于核聚变反应，核电站能量来源于核裂变反应，化石燃料（煤、石油、天然气）燃烧能量来源于化学反应。

1．1千克铀-235相当于2700吨标准煤

燃烧煤是碳的氧化反应，一个碳原子与一个氧分子结合生成一个二氧化碳分子，释放出能量（E），这个能量小得很，只有4.1电子伏。燃烧1千克标准煤可释放7000多千卡（1千卡=2.6×1022电子伏=4187焦耳）热量。

碳（C）+氧（O2）→二氧化碳（CO2）+能量（E）

煤、石油、天然气燃烧，都释放化学能。化学能是原子重新组合及其电子重新分配的结果，原子核本身并没有发生变化。

核电站中发生的是铀核裂变反应，一个铀核裂变释放的能量约为200兆电子伏。

因为235克铀中含有6.023×1023个（阿伏加德罗常数）原子核，1克铀中含2.56×1021个原子核，所以说，1克铀-235释放的能量可达到5.12×1023兆电子伏。

 

燃烧	1千克铀-235放出热量	19 600 000 000千卡
燃烧	1千克标准煤放出热量	7 000千卡
燃烧	1升重油放出热量	9 900千卡
燃烧	1立方米天然气放量热量	9 800千卡

 

不难算出，1千克铀-235裂变放出的热量相当于燃烧约2700吨标准煤。同一质量下，核能比化学能大几百万倍。

2．巨大的核能从何而来

我们知道，自然界中物质都是由原子组成的。原子是由位于中心位置带正电荷的原子核和围绕原子核旋转带负电的电子构成的。而原子核又由质子和中子组成的。质子和中子是由被称为“夸克”的更小粒子组成的，夸克又是由更小的粒子组成的，夸克的结构目前正在探索中。迄今人们已发现了物质五个层次结构（分子——原子——原子核——核子——夸克）和310多种基本粒子。

在原子核中，中子不带电，质子带正电，同性要相斥，把质子和中子紧箍在一个非常小的空间（原子核直径约为10-13厘米）存在着一股巨大的力，科学家称它为核力，核力比电磁力要大130倍。核力与电磁力、万有引力都不同，它只在原子核直径的很小范围内起作用。当质子和中子重新组成新原子核时，核力的强大作用使核子间排列得更紧密，会出现质量减少和放出能量的情况，这种释放出的能量，科学家称之为原子核结合能。

3．请爱因斯坦来做解释

大科学家爱因斯坦提出的相对论指出，质量和能量可以相互转化，质量消失，会产生能量。原子核质量亏损所释放出的结合能，可以由爱因斯坦提出的质量能量关系式计算出来。

E=mc2

式中，E——释放能量（单位，尔格）；m——亏损质量（单位，克）

c——光速（单位，3×1010厘米/秒）。

按这个公式，一个铀-235核受一个中子轰击，分裂成两块碎片X1和X2（如：X1为93Nb，X2为140Ce），并放出2~3个中子（平均2.5个），释放出约200兆电子伏能量（200MeV）。极小的质量转化成极大的能量。

铀-235 + 中子→X1 + X2 + 3个中子 + 200 MeV