学过初中化学的朋友一定都知道,原子由原子核以及环绕在周围的电子所组成。而原子核内部,又包含了质子和中子。
其中,电子是带有负电荷的粒子,质子带正电,中子不带电。
一般情况下,元素周期表中越往后的元素,质子数和中子数越多,原子核的相对质量也越大。
而所谓核裂变,是指一个质量较大的原子核在吸收一个新的中子之后,分裂成两个或多个质量较小的原子核,同时释放出两到三个中子的过程。
经过这样的分裂之后,所有轻原子核再加上释放中子的总质量,会比原先的重原子核质量稍微小一些。
E=mc²
方程当中的c代表光速,这是一个非常大的数字,而光速的平方更是大得不得了。因此,损失的一丁点质量,就可以换来无比巨大的能量!
不过,原子核很小很小,一个原子核的裂变所释放的能量终究是有限的。但如果许许多多重原子核排列在一起,会发生什么呢?
如上图所示,第一个重原子核裂变所释放的两个中子,会被周围的两个重原子核吸收,并释放4个中子,4个中子又被周围的4个重原子核吸收,并释放出8个中子......如此循环往复,裂变的重原子核越来越多,释放的能量也越来越大。这个过程被称为链式反应。
适合于核裂变的重原子,包括铀、钚、钍,其中被使用最多的,是铀的同位素铀235。
作为杀伤力巨大的武器,原子弹造成的是不可控核裂变,其释放的能量除了破坏,无法被人们正面利用。
后来,人们发明了核反应堆,减缓了核裂变链式反应的过程,使得核裂变的能量可以被人们安全利用。这就是可控核裂变。
当今世界上的核电站、核潜艇、核动力航母,都是对可控核裂变的有效利用。
所谓核聚变,是指两个质量较小的原子核,在极高的温度和压力之下碰撞在一起,聚合成一个质量较大的新原子核。
最常见的核聚变,发生在氢原子的同位素上面。让我们先来介绍一下氢原子的两位兄弟:氘和氚。
大家在初中化学都学过,氢原子的原子核有一个质子,没有中子。而它的同位素氘的原子核,包含一个质子和一个中子;另一个同位素氚的原子核,包含一个质子和两个中子。
氘和氚,两者在一定条件下(高温和高压),能够聚合成一个氦原子核,并释放出一个中子。
核聚变发生之后,同样会损失一定的总质量,并释放巨大的能量。但不同的是,核聚变所释放的能量是核裂变释放能力的四倍!
氢弹和原子弹相比,威力的差距有多大呢?我们可以看看下面这张图。
在图中,左侧两朵红色的小蘑菇云,是1945年美军投放在日本的两颗原子弹(广岛的“小男孩”,长崎的“胖子”)所产生的效果。
而右侧三朵蓝色的巨大蘑菇云,是氢弹实验的结果。有史以来,人类试验过的最大的氢弹,是5000万吨的“沙皇”,单是从蘑菇云的大小来看,也足以想象出这个武器的可怕威力!
和原子弹类似,氢弹的爆炸也是一瞬间的,这种巨大的能量无法被人们自由利用,属于不可控核聚变。
那么,核聚变能不能像核裂变那样,成为一种可以安全控制的能源技术呢?
为了实现这一点,全世界有许多聪明的科学家都在努力探索,人们把这项前途无量的技术称为可控核聚变。
到目前为止,可控核聚变的研究有了长足的进展,但是距离真正意义上的应用,还有很长的路要走。
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