物體的動(dòng)能和原子彈爆炸釋放能量的比較

■中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 金仲輝（教授）

物體的動(dòng)能和原子彈爆炸釋放能量的比較

■中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 金仲輝（教授）

問題:質(zhì)量為10g的物體,如果以等于光速的的速度運(yùn)動(dòng),它的能量將接近原子彈爆炸所釋放的能量,這可能嗎?

分析:只要分別計(jì)算出上述兩種能量的大小,進(jìn)行比較,就可以回答這個(gè)問題了。

解答:當(dāng)質(zhì)量為10g的物體以等于光速的的速度運(yùn)動(dòng)時(shí),其動(dòng)能Ek=1.8×1013J。

由原子核物理學(xué)知識(shí)可知,一個(gè)質(zhì)量數(shù)較大的原子核在一定條件下可以發(fā)生裂變,例如235092U(U表示鈾元素;U的上角標(biāo)235表示鈾核的質(zhì)量數(shù),即質(zhì)子和中子數(shù)之和;U的下角標(biāo)92表示鈾核的電荷數(shù),即質(zhì)子數(shù))在一個(gè)中子)的撞擊下分裂成兩個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核和,同時(shí)釋放3個(gè)中子和200MeV的能量,用核反應(yīng)式表示上述過程

一個(gè)鈾235核發(fā)生裂變雖然釋放的能量為200MeV,但是實(shí)際上可利用的能量約為185MeV。185MeV=185×106×1.60×10-19J≈3.0×10-11J。

因?yàn)橐粋€(gè)質(zhì)子或中子的質(zhì)量約為1.67×10-27kg,所以一個(gè)鈾235核的質(zhì)量為235×1.67×10-27kg=3.92×10-25kg。因此一個(gè)鈾235核的質(zhì)量為3.92×10-25kg,它裂變時(shí)釋放的可用能量為3.0×10-11J。據(jù)此進(jìn)一步可計(jì)算出質(zhì)量為1g的鈾235核可釋放的能量為7.65×1010J,于是質(zhì)量為1kg的鈾235核裂變時(shí)可釋放的能量為7.65×1013J。在一定的條件下,原子彈內(nèi)的核燃料的質(zhì)量為幾千克,因此原子彈爆炸所釋放的能量的數(shù)量級(jí)為1013～1014。

注意:核裂變反應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律和電荷守恒定律。

拓展:原子彈若想實(shí)現(xiàn)成功爆炸還需使彈內(nèi)核燃料的質(zhì)量超過一定的數(shù)值(稱為臨界質(zhì)量)。在制造原子彈時(shí),將兩塊小于臨界質(zhì)量的核燃料分別放在彈內(nèi)的兩個(gè)半球內(nèi),如圖1所示,然后靠化學(xué)炸藥爆炸的沖擊波將兩塊核燃料合并在一起,使它們大于臨界質(zhì)量,并適時(shí)將彈內(nèi)的中子源觸發(fā),使核裂變反應(yīng)持續(xù)不斷發(fā)生下去,從而釋放出巨大的能量。臨界質(zhì)量的大小與裂變核材料的種類、結(jié)構(gòu)密度、幾何形狀,以及彈內(nèi)有無中子反射層等有關(guān)。由于臨界質(zhì)量的限制,原子彈的爆炸力有一定的上限。比原子彈爆炸力大得多的是氫彈,氫彈是在輕核聚變的原理上制成的。

圖1

科普:(1)核裂變現(xiàn)象于1938年底被德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),奧地利物理學(xué)家弗里施借鑒細(xì)胞分裂的生物學(xué)名稱首先引入核裂變(nuclearfission)一詞;(2)1945年8月6日和8月9日美軍分別投到日本廣島和長崎的原子彈是鈾彈和钚彈;(3)原子彈爆炸的核裂變反應(yīng)是無法控制的,而核電站內(nèi)的核反應(yīng)堆屬可控的核裂變反應(yīng);(4)我國規(guī)定1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7×106cal,即2.9×107J。因此質(zhì)量為1g的鈾235核裂變釋放的能量相當(dāng)于2.6t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所產(chǎn)生的能量。

(責(zé)任編輯 張 巧)