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重核裂变(核裂变顾名思义是重核裂变)

重核裂变(核裂变顾名思义是重核裂变)

质能等价公式是科学史上最伟大的发现之一,但它却是从狭义相对论中推导得出,爱因斯坦因此而被误会为原子弹与氢弹的缔造者!

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但其实爱因斯坦和核武器只有半毛钱关系,仅仅是在一封写给罗斯福建议美国尽快制造核弹的信上签上了他的大名而已,至于核裂变发现以及临界质量,中子反射等原子弹的理论与实际制造相关,与爱因斯坦则完全不相关。

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质能公式是怎么来的?

1905年被称为爱因斯坦的奇迹年,这一年爱因斯坦发表了5篇论文,每一篇都是顶尖级,但我们最关心其中两篇,第一篇是1905年9月26日发表的《论动体的电动力学》(6月30日寄出),这篇就是史称狭义相对论的论文,11月21日,论文《物体的惯性与其所含的能量有关吗?》发表(9月27日寄出)。

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两篇都是诺奖级别的论文,时隔三个月不到,而且文中提出的观点都是颠覆性的,尤其是第二篇,只有短短数页,尽管是《论动体的电动力学》中的扩展,但提出了一个E=mc²的推论,质量=能量?这个观点是颠覆性的,但当你接受狭义相对论,那么将不得不同时接受这个毁三观的结论,推导过程如下图:

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质能等价方程推导过程

不过爱因斯坦当年在论文中并没将c²的来历交代十分清楚,因此还被颇有争议,但事实证明爱因斯坦并没错,也许他觉得太简单而被省略而已,不过E=mc²还有一个更容易理解的推导过程。

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吉姆·巴戈特的《量子空间》中介绍了另一种质能方程的推导过程,不过他却是用到了黑洞以及史瓦西半径这些到广义相对论后才有的概念,当然我们不理会这个问题,能理解即可!

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前提条件:质量为m的物体在引力场中的总能量等于动能+势能,那么假如物体在引力场中达到最大能量,那么势必要在史瓦西半径处达到光速,此时系统总能量为:

E=E动+E势=mv² /2+ GmM/R

史瓦希半径计算公式为:

R=2GM/C²

将这个公式代入上式为:

E=mv² /2+ GmMC²/2GM=mv² /2+mc²/2

当质量为m的物体到达史瓦希半径位置时,速度达到光速,动能公式中的v即可以C代替,因此得到:E=mc²

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这个推导过程简单暴力,当然物体达到光速是不可能的,所以只是理论值而已,而现实中可能完成真正E=mc²,也只有宇宙大爆炸时条件下才能达到,在实验室里也曾接近过这个条件,大约是宇宙诞生约10^-12时的条件,距离大爆炸诞生瞬间的10^-43S还远得很。

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E=mc²是否意味着万物都能转化为能量?

质能等价公式确实告诉我们可以将万物转化为能量,或者能量转化为质量,核裂变和核聚变中已经证明质量可以转换为能量,而在实验室里也曾接近质-能互相转换,但如果要将质能相互转换实际应用却万万不可能!

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夸克胶子等离子体

核裂变和核聚变是怎么回事?

核裂变顾名思义是重核裂变的,比如铀-235裂变称氪-92和钡-141,还会释放出几个中子,并且还会丢失一点点质量,而巨大的能量也是从这丢失的质量转换而来。

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聚变的过程尽管相反,但同样原子核的结合会造成质量亏损,比如现在正在努力突破的氘氚聚变成氦四和氕,同样会释放出能量,但一颗重原子核裂变的能量只有两颗氘氚原子核聚变的1/8左右。

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事实选择氘氚是因为它们是元素中结合能比较合适,人类努力下可能会实现,但在恒星内核却能实现“所有”能聚变元素的条件,它可以一路从氢(氕氘氚都是氢同位素)聚变到铁,之后的元素结合需要吸收能量,因此在无法聚变,不过能利用超新星爆发的能量继续合成重元素。

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太阳上正在发生的聚变

因此理论上只要铁之前的任何元素,只要不嫌弃条件太高,那么它就能聚变成更重的元素从而获得能量,或者获得所需要的元素,简单的说只要技术够,也可以人工制造任何一种元素。

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粉笔的成分主要是碳酸钙(石灰石)和硫酸钙(石膏),主要成分是钙碳氧或者钙硫氢氧,氢的聚变要求比较低一些,但氧的聚变要求即使是太阳也达不到,而硫和钙则更变态,氢以后的流程,要求会越来越变态:

氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56

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一根粉笔大约20g,如果按聚变的大致能量比计算,也就产生0.14克的质量亏损,大约能产生585,760,000焦耳的能量,大约能烧开35,581.47吨水,看来不错啊,居然能烧开3.5万吨,每人每天算它喝至少1升水,那么按现在77亿人要喝掉770万吨(每天),显然不够喝!分一口都不行。

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假如20克质量彻底转换成能量,又有多少能量呢?大约为1,673,600,000,000,000焦耳,约能烧开5,083,067.57吨,大家省着一点喝,差不多能对付一天(每人每天660毫升),估计应该是最少喝水量了吧。看来全部转换为能量也不行!

万物能量转换,有可能吗?

上文说了可以从铁之前的任何元素聚变,也就是完成了质能转换,但事实上所谓的聚变只是完成了一部分质能转换,比如亏损部分的质量而已,而且条件已经极其变态!

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但宇宙开始时曾达到过,此时的宇宙完全没有质量,只有能量,而且在大爆炸初期仍然只是一团能量,一直到夸克和胶子的出现形成重子,此时大约是宇宙诞生10^-12秒,而RHIC加速器加速金原子相撞形成的夸克胶子等离子体曾接近过这一状态,这应该是人类最接近造物主的时刻,但到底是算不算完成了质能相互转换仍然有待商榷。

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