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小明是个质子 有一天……

小明是个质子 有一天……

在《一起愉快地聊核电》前面的文章里,咱们说到了聚变的原理,即原子核之间的结合导致质量亏损,从而产生巨大能量。

那么核电站里面的裂变反应,也是因为释放结合能的缘故吗?答案是肯定的!但那分明是铀原子的分裂呀。

别急,咱们这就详细说来。

有一个核子他叫小明

有这么一个核子,他叫小明。虽然质子和中子统称为核子,但是呢,小明一开始绝对是个质子。

很简单,中子这家伙最怕孤独了,当他单身时,整个人就衰得不行,平均寿命也就15分钟左右,确切地说14分42秒后,这个自由的单身汉就会衰变成一个质子和一个电子,还有一个反中微子。

质子则不同,用长寿来形容他都显得不恰当,因为他的寿命大于2.1×1029年,那个谁,宇宙的年龄也才138亿年左右呢。

不扯这些了,反正小明一开始是一个质子就是啦!

话说,有一天,小明到处瞎逛,结果他遇到了另外一个小明。显然腾讯分分彩,他也是独自闯荡宇宙的质子。为作区分,暂时叫他小华。

同性相斥,这在哪儿都是成立的。本来,他们两个是不可能走在一起的,因为他们之间的排斥力太大(都带正电),但是呢,很不幸,他俩在一颗恒星的内部,也许是一颗中等质量的恒星内部,那里温度高极了,所以小明和小华的速度极快,两人迎头高速相撞,结果就粘在一起啦,而胶水是一种叫做核力的厉害家伙。


粒子热运动的剧烈程度随温度升高而增强

小明和小华粘在一起后,如小明所愿,小华不再是一个质子,他变成一个中子了。这把小明高兴得,他把小花抱得紧紧的,小花是小明给她重新取的名字。

此刻,小明和小花组成了一个新家——氘(dāo)核

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小明说:花花,我发现,自从跟了你后,我的体重减轻了一点儿。

小花说:我也是我也是!可能是……咱们结合时产生了爱的火花,火花带走了你我的一点儿体重吧。

小明说:嗯嗯,铁定就是这个原因啦。

小明小花的小日子过得很幸福,他们的愿望是就这么幸幸福福地过一辈子,直到沧海桑田,宇宙毁灭。然而,他们这个愿望只维持了1万年。

有一天,一个不长眼的质子,他硬生生插了进来。

“真好!”那个撞进来的质子说,“现在我们组成了新的家庭,氦3!哦也!”

小明和小花对看了一眼,没有说话,只是叹了一口气。

良久,小明说了一句:奇怪,我的体重又变轻一点儿了。

小花说:我也是。

那个质子也急忙说:我也是,我也是!

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但是小明和小花还是没有搭理他。

好几万年又过去了。

有一天,他们这个叫做氦3的家庭,又在高速中撞到了另外一个氦3,咔嚓一声,如电闪雷鸣,之前的那个质子被撞飞了,还有凤凰彩票另外一个质子也被撞飞了。

现在这个新家里面有4个核子,分别是小明和小花,还有另外的一个质子和中子。这个新家叫做氦4

小花:明明哥,咱俩现在是阿尔法粒子家的一部分了。唉,我的身体变得更轻了。

小明:别伤心,我听说,中等质量的恒星,聚变产物主要是氦4,所以咱俩应该不会再换新家了。

然而,小明错了,很多万年后,他们又成了碳原子核家的一部分,后来又成为氧原子核家的一部分。最后,他们又成了铁原子核家的一部分。

小明:哎呀呀,搞半天,咱俩不是呆在一个中等质量的恒星里呀!

小花:是大质量恒星!自从成为铁核家的一份子后,我又变轻了好多好多!

小明:花花,你别难过。我听说,在大质量的恒星里面,只要产生了像铁原子核、镍原子核的时候,我们基本上就不会再变换新家了。

小花:为什么呀?

小明:因为,假如我俩从铁原子核家搬到铀核家的时候,我们的体重就会变重一点儿,而我们身体质量变大的话,需要能量的注入才能完成。否则,咱们怎么变重呢?

小花:对对对,我也想起来了。

小明(拍了一下脑袋):不好!我忽然想起一事,如果两个铁核不能再通过聚变产生能量的话,那那那……谁来顶住这颗大质量恒星自身的引力坍缩?

小花:啊?!

…………

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就在小花的惊叫声中,一个更大的声响出现了,这也许是宇宙大爆炸以来,小明和小花听得最大的一个声响了。

…………

朦朦胧胧中,小花醒了过来,一看小明还在身边,心里那个踏实感,真是难以言表。

小花:刚才怎么回事?

小明:超新星大爆发!

小花:我们在哪里?

小明:一个更大的家,铀腾讯分分彩核里!

小花:难怪,好多好多家庭成员,真挤呀。不过还好,我的体重增加了一些呢。明哥哥,你说咱俩总是在换新家,这什么时候是个头呀!

小明:我们这个家叫做铀235,他的半衰期是7亿多年。假如有一堆铀235,那么经过7亿年后,会有一半发生衰变。

小花:7亿年!太好了,咱俩终于可以稳定一段时间了。

…………

…………

好多亿年又过去了,小明和小花亲眼看见无数的铀235发生了衰变,但他们所在的这个家还没有。小明和小花感到很幸运,他们害怕再换新家,因为那样的话,他们就有一定的可能要分开了。

这是一件多么让人伤心的事,在这浩渺的宇宙,分开即永别。

小明和小花身在超新星大爆发后产生的一片广袤无边的分子云里,也就是星云。

后来,附近又发生了好几次超新星大爆发,结果,在某个地方,星云开始收缩,密度开始升高,在那核心的地方,一个新的恒星正在诞生,它就是后来人类叫做太阳的恒星。

小明和小花没有成为太阳的一部分,因为他们的家,铀235质量比较大,不像那些氢分子云,引力一吸就屁颠屁颠地跑过去了。

他们围绕那个后来叫做太阳的恒星盘旋,在盘旋中,他们跟随好多亿万吨的铀、铁、硅等共同组成了一个后来叫做地球的行星。

有一天,小明推醒了熟睡中的小花。

小明:小花小花,地球行星诞生了一种叫做人类的生物,他们智慧非凡。

小花:有多非凡?

小明:你知道吗?他们找到了我们的邻居家,也就是铀238,它的半衰期是44.68亿年。

小花:这个我也知道呀,没啥了不起的。

小明:但你知道吗,他们利用铀238的半衰期测出了地球的年龄啦!

小花:啊,怎么测的?

小明:很简单呀,就像一大串葡萄,假如每隔10天就会有一半的葡萄烂掉,只剩下葡萄核的话。那么数一数剩下的葡萄核就知道这一大串葡萄到底存在多少时间了。假设一串大葡萄原来有100粒,过10天后只剩下50粒,再过10天剩下25粒,人类数一数那一地的葡萄核,就知道这串大葡萄大约存在20天时间了。

小花:人类真聪明!我忽然爱上他们了,真的。

小明:还有还有哦,人类也喜欢上我们了,他们在一个叫做核电站的装置里利用我们,为他们获得源源不断的能源。

小花:什么!怎么利用的?

小明:你知道的,100亿吨铀235,要经过7亿多年才会有50亿吨发生衰变,只剩下50亿吨,而现在,人类找到另一个加速铀235裂变的方法了,只要用一颗像你一样的中子轰击咱们这个家,铀235就会分裂成大小差不多的两个中等质量的新核,并产生巨大的能量。

小花:这真是一个奇迹,难道人类也通晓,我们核子在不同原子核里时的质量变化?真有这般聪明?

小明:真的,他们全知道啦!每个核子组成像铀这样的新家时,核子损失的质量并没有在那些中等质量的新家多。

小花:等等,就是我们从铀核家搬到钡原子核家的时候会变轻,他们连这也知道啦?

小明:是的。

小花:聪明的人类,你们居然如此性感!

…………

平均结合能

小明和小花的故事讲完了。咱们再来看看里面的涉及的原理。

一个原子属于什么元素,中子说话不管用,只有质子说了算。

在氢元素中,原子核里只有一个质子的叫氕(pie)原子;由一个质子和一个中子组成的叫做氘(dao)原子,由一个质子和两个中子组成的叫做氚(chuan)。氕、氘、氚都是氢元素,它们互为同位素。

氕原子核里面只有一个质子,它除了跟电子结合外,再没有别的了,但是氘和氚不同,它们都是由2到3个核子组成。

我们知道,多个核子结合成某原子核时会释放核结合能,如果咱们把这个结合能除以原子核中核子的数量,就得到了平均每一个核子的结合能。

问题来了,同样一个核子,它在组成氘核时结合能大一些呢,还是组成氚核时结合能更大一些?答案是后者。


平均结合能示意图

如上图,横坐标是核子的数量,从1到270;纵坐标是各种元素下的平均结合能,能量单位是兆电子伏。

可以看见,氚( H3)的平均结合能在2.8兆电子伏左右,而氘(H2)只有1.1兆电子伏多一点。氢的下一位元素氦,从图上可知,He4的平均结合能很高,He4(读作氦4,其原子核也就是我们经常听说的α粒子)是太阳或者比太阳质量小的恒星中的主要聚变产物。

在太阳的核心里面,4个自由的质子(也就是氕原子核)经过几个步骤,最终融合成氦原子核(α粒子),平均每秒钟大约要有3.7×1038个质子结合成为α粒子,并释放出极其巨大的能量。

太阳产生的能量只有22亿分之一传到了地球,分得很少很少,但就算这样,太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤。

铁峰顶

铁元素处于最高位置附近,也就是说,56个核子共同组成铁原子时,平均每个核子释放的结合能最大,比铁还重得多的那些元素,其平均结合能是逐渐降低的。

只有那些大质量恒星,它们核心才可能产生铁元素,而大质量恒星的内部如果开始生成铁、镍等元素时,那么就可以宣告恒星的末日到来了。

为什么这么说呢?

聚变时,能量的获得是由质量亏损得到的,亏损的质量越多获得的能量越大,所以我们能肯定,别看同样都是核子,它们可偏心得很呢,当它是在氘核里面时,因为平均结合能小,所以每个核子质量亏损的也就少,换句话说就是比较重一些,而在氦核中时,因为平均结合能要大得多,亏损的的质量也就大得多,所以核子要轻一些。

因此我们能得出这样一个结论,某元素的平均结合能越大,那么这个元素中的每个核子就越轻。

前一代恒星送给地球的宝贵礼物

表面上,核电站利用的是铀核的裂变,而氢弹和太阳上的产能方式是核与核的聚变,给人的感觉,这似乎是两种不同类型的能源。

然而,当我们深入核子,以及核子在不同原子核里面的质量变化,就会发现,无论是太阳的核心还是在核电站的堆芯,它们获取能源的方式无非是利用了核子的“偏心眼儿”——1个核子从铀核家搬到钡核家时,质量变轻,这跟1个核子从氘核家搬到氦原子核家时质量变轻是一样一样的。

大质量恒星内部聚变生成铁、镍等元素时,不能再通过更进一步的核融合产生能量,也正因为此,恒星内部再也没有足够能量抵抗恒星自身的引力从而向内坍缩,于是便有了超新星大爆发,并再次产生巨大的能量,这些能量给那些中等元素融合成重元素助了一臂之力,铀得以生成。

那么反过来,当铀核再次分裂成中等质量的两个原子核时肯定要放出能量,这就是核电站里面每天都在发生的反应。

显而易见,地球上的铀资源是那些大质量恒星牺牲时的最后产物,换句话说,我们现在所用的核能全都是来自前一代恒星送给地球的宝贵礼物。

原子很小,一根头发的宽度大约是100万个碳原子连起来的长度,而一个小小的铀原子裂变后产生的能量甚至可以移动一粒小沙子。如此诱人的能源,怎能不让人神往?

2009年,美国人均耗电量1460度,而我国在2010年时,人均耗电量只有364度。

美国正在运行的核电站有100多座,超过世界上任何国家,因此,关于核电站,我国的数量其实并没有大家想的那么多。

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