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2013河南遴选公务员辅导科技知识:核能史话

时间:2013-12-03 07:51:02  来源:金图教育网  作者:
 
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  1、核能的来源

  从1932 年发现中子到1939 年发现裂变,结果经历了七年之久才把巨大的裂变能从铀核中解放出来。它同已知的只有几个电子伏的化学能相比要大几百万倍,而同一般的核反应能相比也要大十倍左右。科学家们为了能很好利用它,就需要设法找到产生这种巨大能量的根源。

  早在发现放射性和放射性核素的初期,人们从贝克勒尔和皮埃尔·居里曾经被镭射线烧伤过皮肤的现象中觉察到,各种射线的确具有很大能量。例如,铀原子核衰变能量要比碳原子化合时所释放的能量大两百万倍。而人类对各种化学能的应用早就开始了,但对放射能的实际应用却迟迟不得实现。这是由于这些放射能的释放过程非常缓慢,也就是说这些天然放射性核素哀变时的能量释放率太小,故没有开发应用的价值。即使这样,科学家们还是对放射能的来源问题很感兴趣。从唯物主义者对物质世界的认识论观点出发,各种能量都不能凭空臆造或无中生有,它只能隐藏在物质之中。

  当时人们已知原子是组成物质的最小单位,因此很自然地认为放射能是存在于原子内部。那是在1903 年,当卢瑟福研究了α 射线的能量后曾经指出:“这些需要加以思考的事实都指向同一个结论,即潜藏在原子里面的能量必是巨大无比的”。所以至今人们仍把放射能叫做“原子能”。

  然而,随着核科学的不断发展,在1911 年,卢瑟福又发现了原子中存在着某一核心部分,即找到了原子核。并从它的特性中知道,原子质量的绝大部分都集中在原子核上。这样,人们就认为原子核中储藏着巨大能量的说法更能反映客观实际。而放射能实际上也就是由于原子核自身发生变化时所释放出的能量。另外,原子能的提法又很容易和化学能相混混淆,所以把放射能称之为“核能”更符合实际情况。

  但是,有些唯心论的学者曾经企图从原子核的放射性衰变现象中,作出物质似乎可以转变为能量的错误结论。他们认为,在放射性核素的衰变过程中,物质似乎消失了,而能量却无中生有了。然而,随着核科学的迅速发展,很快就驳斥了唯心论者的谬误。这就是在1905 年,由杰出的天才理论物理学家爱因斯坦发现了能量和质量关系式后才实现的。他是一个出生在德国,后来先后加入过瑞士和美国国籍的犹太人。他所提出的“狭义相对论”理论不仅能证实能量转变和守恒定律的正确性,而且完全适用于核衰变的过程。根据他对各种运动物体的观察(特别是那些作高速运动的物体)和分析的结果。发现随着物质运动速度的增大,特别是接近光速(每秒30 万公里)时,运动物质在运动方向上的长度(即由静止观察者所测得的长度)就越来越短;而其质量却越来越大。

  根据爱因斯坦的相对论理论,对于高速运动的电子(如阴极射线),它的运动速度已很接近光速,为260000 公里/秒。此时电子质量可猛增到原来的两倍。这一结果由德国物理学家布赫雷尔在1908 年直接从实验测量中得到证明,且和爱因斯坦的理论预测值刚好相一致。由此不难看出,能量的增加并不意味着质量的减少。相反实际上物体运动速度加快后,不但能量增加,而且质量也变大。这就驳倒了唯心论者认为放射性现象的发现,物质似乎可以转变为能量的错误说法。微观世界中的这种奇妙现象再次证明了“自然界中的一切运动都可以归结为由一种形式向另一种形式不断转化的过程”和“把能量理解为物质的运动”的精辟见解的正确性。另外,爱因斯坦在自己论述相对论的论文中,又大胆地用一个非常简单的关系式E=mc?,把以前一直认为相互毫无关系的、性质也截然不同的质量和能量连结在一起。公式表示了能量和质量间互相换算的数量关系,即质量和能量是互为正比关系的。但这决不表示能量就是质量或能量和质量间相互可以转化。我们知道能量是物质运动的量度,它和物质运动的状态有关,是物质的一种属性;而质量是物质惯性和引力的量度,它也和物质的本性有关,是物质的另一种属性。

  例如,我们可从质能公式算得一克质量所相当的能量为九万亿亿尔格。虽然尔格本身是一个很小的能量单位,但是九万亿亿个尔格相加起来相当于把1000 万吨重的东西提升到1 公里的高度,或可供一个100 瓦的灯泡点亮35000年。但是实际上人类对这种能量的利用率仅为千分之一左右,所以它是一种威力巨大无比的能源。正是由于这种微小质量与巨大能量在数值上有着天渊之别,才使得人们在自己的科学实验中,很长时期未能发现它们之间的关系。

  而在一般化学反应中,与释放能量相对应的反应物质量也能稍微减少一点。然而,这个微小量的改变,人们几乎觉察不到。如果我们燃烧l 加仑(等于3.785 升)汽油,其相当的质量是2800 克。它在燃烧过程中与10000 克左右的氧气化合成二氧化碳和水,并能产生1.35 亿焦耳的能量,能驱动一辆汽车行驶25~30 公里路程。但从质能关系式中可看出,这些能量所相当的质量仅比百万分之一克略多一点。这就是说,最初参加化学反应的反应物重量是2800克加上10000 克等于12800 克。而反应后的生成物包括二氧化碳和水的重量是从12800 克中减去一个微小量(百万分之一克)。当时,十九世纪的化学家所用的测重仪是量不出这样微小变化的,所以那时科学家们都深信质量是永远守恒的。

2、核力和结合能

  我们知道化学反应过程中所释放的能量,主要来源于把原子保持在分子中的力,这种力的大小与原子的外层电子分布结构有关。当两个以上原子合拢在一起组成分子时,各原子的电子云就会发生变化,将组成共同的电子云把分子中的所有原子核笼罩在一起。在此同时并释放出能量,通常称为化学结合能。所以化合物分子的能量总是低于它所包含的各原子能量的总和。

  与此类似,隐藏在原子核中的核能,就是起源于组成原子核的核子(质子和中子的统称)之间的很强的作用力。特别是对于那些原子序数高的、质量大的原子核,它们聚拢着为数众多的质子和中子。例如第83 号元素铋,在核中有83 个带正电荷的质子和126 个不带电的中子,总共209 个核子彼此居然能挤成一团,在核内排列得如此紧密,也不因为质子间的静电斥力而飞散开来。那么核子间到底是由一种什么样的奇异力把它们连结在一起的呢?

 
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(责任编辑:徐福贵)
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