一克鈾235裂變,會損失多少質量,又會產生多少能量?

2020-12-06 科學信仰

E=mc∧2,這是質能方程,根據這個公式,我們可以一目了然地看出即使是十分微小的質量,如果轉化為能量,也是十分巨大的。

在質能方程中,能量等於質量乘以光速的平方,而光速約為每秒30萬千米,顯然,光速的平方是一個天文數字。質量本質上是能量的一種表現形式,而在很長一段時間以來,人們一直認為質量是守恆的。質量守恆在化學式配平上得到了很好的呈現,人們也一直認為化學反應前後的物質質量是不變的。

化學反應前後的質量不變,實際上是由於認知局限所造成的誤會,化學反應的過程中其實一樣會造成質量損失,只不過損失的質量太過微小了,微小到無法察覺的地步。直到人類清楚地看到核反應之後所出現的質量虧損,才意識到其實化學反應的過程中一樣存在著質量的損失。

為什麼核反應能夠釋放如此巨大的能量呢?顯然本質上是因為質量的虧損。

眾所周知,核裂變所使用的原料是鈾235,那麼一克鈾235完全裂變,會出現多大的質量虧損呢?這些虧損的質量又會產生多少能量呢?先簡單介紹一下核裂變的原理,當一個鈾235吸收了一個低能中子之後,就會發生裂變,釋放巨大能量的同時會再釋放出2個中子,而這2個中子又會被其它鈾235吸收促成進一步裂變,這就是「鏈式反應」。

為什麼裂變之後會釋放巨大能量呢?簡單來講,鈾235在裂變之後會生成新的物質並釋放出中子,在裂變反應之前和裂變反應之後,中子和質子相加的數量總和是相等的,但是反應之後的質子數量要比反應前多,而中子數量要比反應前少,而中子的質量比質子略大,也就是說反應之後的質量發生了虧損,而虧損的質量則以能量的形式被釋放了出來。

一個鈾235裂變會產生多少質量損失呢?

為了準確計量微小分子的質量,國際上通常採用一個原子的質量單位為基準,表示為amu,而一個原子裂變所造成的質量虧損大約為0.2amu。值得注意的是,這只是一個大概的數字,因為核裂變過程非常複雜,裂變的產物也不盡相同,所以質量損失也會有所區別。

知道了一個原子裂變所造成的質量損失,就可以通過質能方程來計算一個原子裂變所能夠釋放的能量了。能量等於質量乘以光速的平方,質量為0.2amu,1amu=1.66053886X10∧-27,然後再乘以光速的平方,為方便計算,取整數約為200Mev。ev表示一個電子在一伏電壓加速時獲得的能量,而1Mev=1000000ev。

一個原子裂變所釋放的能量為200Mev,現在我們再來看看如果有一克鈾235完全裂變,到底能夠釋放多少能量。

每摩爾物質含有6.0221414x10∧23個原子,而一克鈾235等於0.004255摩爾,所以一克鈾235所包含的原子個數就應該是2.562x10∧21。

現在只需要用一克鈾235所包含的原子個數乘以200Mev就可以得出一克鈾235完全裂變所釋放的能量了,我們將其換算為我們比較熟悉的單位焦耳,就是81970MJ。現在我們來和其它能源比較一下,看看核裂變所釋放的能量有多麼巨大。

1kg標準煤燃燒所釋放的熱量為29.27MJ,也就是說2.8噸標準煤燃燒所釋放的熱量量才等於一克鈾235完全裂變所釋放的能量。

再來看看汽油,1kg汽油燃燒所釋放的熱量為46MJ,所以1.78噸汽油燃燒所釋放的熱量等於一克鈾235完全裂變所釋放的能量。如果把對比物換成木柴就更不得了了,需要將近7噸的木柴完全燃燒才能夠等同於一克鈾235完全裂變所釋放的能量,可見核裂變所釋放的能量是多麼巨大。

必須要提的是,我們只是在進行一個思想實驗,而在現實之中一克鈾235完全裂變是不存在的。因為沒有純度為100%的鈾235,即使通過離心機不斷濃縮,鈾235的濃度也只能夠到95%以上,而一般核電站所使用的鈾235濃度僅為5%。此外參與反應的鈾235也不會完全發生裂變。

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    一克鈾-235大約需要數百億年才能徹底釋放其能量,因為一克鈾並不能以鏈式反應的方式產生裂變,原因是它的無法達到臨界質量,不過可以只用來計算每一克鈾釋放的能量,那麼它到底有多大呢?一克鈾徹底裂變釋放的能量相當於2.9噸標準煤鈾的能量是通過重元素裂變所釋放的,有比較簡便的計算經驗計算方式,或者採用每摩爾鈾-235原子的數量,再按單個原子裂變的產生的能量計算,兩種都差不多,我們可以簡單做個計算
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    下面我們就來看一下,如此神秘的金屬鈾到底是什麼鬼。首先有一點要強調的是,鈾並非是一種人工合成元素,其真實存在於自然界中。比如在地殼裡,鈾的平均含量大約在百萬分之2.5左右,也就是說平均每噸地殼物質裡約含有2.5克鈾。這樣的含量比例,比金和銀等元素還要高。除此之外,鈾元素還存在著三種同位素,而這三種同位素都帶有放射性,並且擁有非常長的半衰期,現在主要用作核燃料。
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    自然界中的鈾,有99.27%以鈾-238存在,其餘大部分以鈾-235存在,還有極低含量的鈾-234,而鈾-235才是核反應中的主要材料。鈾是人類最重要的核裂變材料,可以用來製造原子彈,也可以用作核反應堆的裂變材料;鈾是活波金屬,自然界中的鈾都是以化合物的形式存在,有很多礦石含有鈾,比如粒磷鉛鈾礦、鈣鈾雲母、綠鈾礦、瀝青鈾礦等等。鈾的同位素都具有放射性,所以發現某處的土壤和水源具有較高的放射性時,就可能在這有一座鈾礦;鈾礦採集後經過粉碎、磨細、吸附、反覆萃取、沉澱後得到黃餅(重鈾酸銨)。
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