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1 # 核先生科普
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2 # 海門老馮
提出這個問題是可以理解的,因為化學反應的現象告訴我們,原子或離子在化合成分子的過程中會釋放能量。相反,分子在分化瓦解成原子或離子的過程中則又會吸收能量。於是,核裂變應該就是吸能嘛,怎麼會是放能呢?
原因應該是這樣的。核反應與化學反應在機理上有所不同。核反應是原子核中的質子、中子和電子的再聚散。而化學反應則是原子的核外電子再聚散。
在化學反應中,無論是金屬鍵,還是共價鍵。只要是化學鍵導致了兩個或兩個以上的離子化合成分子,參與化合的原子因相互之間的電荷作用(吸引力),使得離子互相靠近,同時取代原子由外而內所重疊到的核外電子區域,使得離子之間直接構成鍵合力。而被離子取代出來的核外電子就由繞原子核旋轉的切線運動,立即改變成了直線運動而逃離原子。電子的出逃成為了光電子及其能量體。這個能量的產生在這裡就是放能。因此,大凡原子之間的化合,都因結合成離子鍵構成的分子而置換出電子,從而導致放能。
相反,化學反應中分子或分子團被拆分成分子或離子時,離子需要重新從周圍環境中俘獲自由電子。當一定空間範圍內的電子減少後,環境中就缺少了電子碰撞,人在這個環境中就感覺到了冷或涼快。這個過程就是吸能的過程。上述這兩個化學反應過程就是化學反應時的吸能和放能的形成機制。
與化學反應過程中的吸能和放能所不同的是,在核裂變的過程中,吸能和放能同時存在,只不過是放能遠遠大於吸能,並且吸能還往往被人們所視而不見。
核裂變是大的元素衰變分裂成相對的小元素。在這個過程中,中子把一團質子撞擊開來形成更小的元素,同時釋放出中子和核外電子。值得注意的是:以鈾元素為例,一個釉235原子所擁有的核外電子數量達到92個。那麼92個電子再乘上參與核反應的鈾原子數,這本身所產生的能量就夠大了,卻還要再加上釋放出來的一部分中子。已知中子的質量比電子大近2000倍,其運動動能較大。這二者疊加起來其爆炸能量就更大了。這樣,不僅核裂變時原子的核外電子被傾巢而出,所產生的電子數量要比化學反應時逃離原子出來的電子數量多得多,而且還同時釋放出了中子,這是核裂變的爆炸能量大於除核聚變以外其它爆炸物能量的原因。
其實,裂變過程中不僅會放能,而且也會吸能。除了中子受到激發而逃出原子核產生能量以外。在原子裂變過程中,開始時還伴有核外電子逃離出原子核。這些電子的高速離開,一方面其電子的運動能量加熱了周圍環境中的氣體物質,致氣體物質膨脹擴散,產生裂變衝擊波。另一方面在接下來的冷卻過程中又會重新形成更小的原子。新原子吸收空間環境中的電子。再加上氣體膨脹時的吸收電子,二者疊加起來吸收環境電子,就是吸能的過程,這個吸能過程往往還不被人們所察覺。比如:原子彈爆炸時為何能夠形成蘑菇形狀呢?原因可能在於:起初,爆炸中心因爆炸物中的電子碰撞周圍氣體分子,氣體分子受到電子撞擊而被迫分解膨脹。至此,爆炸物重建新原子趨向返回為原子態,新原子重新吸收回環境中的電子,環境能量開始下降。接下來爆炸中心不僅不繼續膨脹下去,反而出現區域性收縮,收縮形成了蘑菇形狀。即中間收縮,壓迫氣體從上下兩個方向走出。從而上面形成蘑菇雲。中間形成蘑菇杆。下面形成蘑菇腳。這就是原子裂變後原子先失去電子(放能),後獲得電子(吸能)造成的。由於核爆炸中帶有重質量中子,其爆炸威力(放能)遠遠大於吸能。所以,核爆炸的吸能及其吸能的程度就只能透過這樣的現象(蘑菇狀)來看本質了。
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自古以來,裂變分為兩大門派——自發裂變和誘發裂變。
自發裂變屬於耀武揚威型,雖然能量不大,但是愛嘚瑟。人生信條就是,別人不理我,我也要嘚瑟,然後就嘚瑟的碎了一地,這類原子核在沒有粒子轟擊或不加入能量的情況下發生的裂變,重核會分裂成兩個或幾個中等質量的碎片,同時發射出中子和能量的過程稱為原子核自發裂變。
自然界中能夠自發裂變的原子核元素屈指可數,只有鈾元素和釷元素。之所以並不是所有元素都具可以自發裂變,這是因為大多數原子核邊界有裂變勢壘,如果裂變勢壘太高,就不能發生自發裂變。自然界中元素自發裂變的機率低,所放出射線能量低,例如,238U核自行發生裂變的半衰期為10~16次方~10~17 次方年,一般可用於無源核反應堆的啟動,但是正真啟動後,自發裂變提供的能量是遠遠不夠的。
通常所說的裂變放出能量是另一派所為——誘發裂變,平時韜光養晦,人生信條人不犯我,我不犯人,人若犯我,我比發狂。當外來的粒子轟擊重核時,發生誘發裂變。誘發裂變其實是重核在外來粒子(如中子)來犯時所作出的反應之一。是依據原子核與外來中子相互作用的結果定義的一個概念,中子就像一個外來敵人,重核就是一個隱居深山的武林門派,當外來敵人挑山門時會產生兩個結果:
一:失敗,被一腳踢飛——即散射。
二:成功,打入門派內部——這又會產生幾種不同的結果,外來中子進入後可能會將原來門派的其他弟子擠走,擠走哪些呢?阿爾法、伽馬等弟子,還有一種結果就是整個門派被打散,淪落成幾個小門派,後果很嚴重,火氣非常大,釋放出巨大能量,同時會放出幾個特別牛逼的弟子,繼續去其他門派找事。
以上就是自發裂變和誘發裂變,不管是原子彈爆炸,還是核電站中使用的核能,均來自於誘發裂變,為啥發這麼大火呢?用愛因斯坦理論解釋是核反應過程發生了質量虧損,依據質能方程放出能量。從核子角度來看,原子核散的一瞬間會吸收能量,吸收的能量就等於重核的平均比結合能乘以核子數,當核子重新組合成新的小的原子核時就會放出能量,放出的能量等於中等質量的比結合能乘以中等質量的核子數,並且重核的比結合能低,而中等質量的核比結合能高,因此結合的過程會放出更多的能量,即放出大量的能量。
PS:從上圖可看出,核聚變時比結合能變化更大,因此聚變放出的能量會更大,這也是氫彈比原子彈威力更大的原因。