為什么只有在核裂變時(shí)才放出核能

【專(zhuān)家解說(shuō)】：核聚變也能產(chǎn)生核能 我估計(jì)你是想問(wèn)核能是怎么產(chǎn)生的吧? 發(fā)現(xiàn)原子后，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)原子核能夠發(fā)生分裂，也就是一個(gè)原子核分成兩個(gè)原子核、三個(gè)原子核……而且在分裂后還能產(chǎn)生很大的能量。 鈾核裂變?yōu)閮蓚€(gè)碎片(兩個(gè)新的原子核)的消息立即傳遍了全世界。緊接著各國(guó)科學(xué)家們都證實(shí):鈾核確實(shí)是分裂了。 鈾核分裂產(chǎn)生的這個(gè)能量，比相同質(zhì)量的化學(xué)反應(yīng)放出的能量大幾百萬(wàn)倍以上!就這樣，人們發(fā)現(xiàn)了“原子的火花”，一種新形式的能量。這個(gè)能量就是原子核裂變能，也稱(chēng)核能，或原子能。但當(dāng)時(shí)，人們只注意到了釋放出驚人的能量，卻忽略了釋放中子的問(wèn)題。稍后，哈恩、約里奧·居里及其同事哈爾班等人又發(fā)現(xiàn)了更重要的一點(diǎn)，也是最引人注目的一點(diǎn)，就是:在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時(shí)，還放出兩、三個(gè)中子來(lái)。 這是又一項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)。為什么呢? 一個(gè)中子打碎一個(gè)鈾核，產(chǎn)生能量，放出兩個(gè)中子來(lái);這兩個(gè)中子又打中另外兩個(gè)鈾核，產(chǎn)生兩倍的能量，再放出四個(gè)中子來(lái)，這四個(gè)中子又打中鄰近的四個(gè)鈾核，產(chǎn)生四倍的能量，再放出八個(gè)中子來(lái)……。以此類(lèi)推，這樣的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，也就是一環(huán)扣一環(huán)的反應(yīng)，又稱(chēng)連鎖反應(yīng)，持續(xù)下去，宛如雪崩，山頂上一團(tuán)雪滾下來(lái)，這團(tuán)雪帶動(dòng)了其它雪，其它的雪再帶動(dòng)另一塊雪，這樣連續(xù)下去，愈滾愈烈，瞬間就會(huì)形成大雪球，滾下山坡，勢(shì)不可擋。這意味著:極其微小的中子，將有能力釋放沉睡在大自然界中幾十億年的物質(zhì)巨人。 正是由干這一發(fā)現(xiàn)，盧瑟福和同他持同樣觀點(diǎn)的人認(rèn)為開(kāi)發(fā)利用原子能量的設(shè)想不可能的結(jié)論，終于被一種新的科學(xué)手段所動(dòng)搖，并且最后被徹底摧毀了。 1944年，哈恩因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了“重核裂變反應(yīng)”，榮獲該年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。但是，在這一研究中曾經(jīng)與其合作并作出過(guò)重大貢獻(xiàn)的梅特納和斯特拉斯曼卻沒(méi)有獲此殊榮，對(duì)此，人們不免感到遺憾。特別是對(duì)梅特約而言，是她首先創(chuàng)造性的采用了“原子分裂”這個(gè)科學(xué)史上從來(lái)沒(méi)有過(guò)的名詞，難道僅僅因?yàn)樗且晃慌茖W(xué)家就可以“忽略不計(jì)”嗎?對(duì)此，一直到20世紀(jì)的90年代，仍然有人為她和有同樣命運(yùn)的女科學(xué)家們感到不平。 不過(guò)，尚可欣慰的是，1966年，梅特納博士和哈恩博士，還有斯特拉斯曼博士共同獲得瑞典原子能委員會(huì)頒發(fā)的5萬(wàn)美元的“恩里科·費(fèi)米獎(jiǎng)”。那時(shí)的梅特納已有80高齡，身體很虛弱，不能到維也納去領(lǐng)獎(jiǎng)，是由原子能委員會(huì)主席西博格博士親自到英國(guó)劍橋向她授獎(jiǎng)的。這對(duì)梅特納博士來(lái)說(shuō)，當(dāng)是極大的榮譽(yù)，也是莫大的欣慰。 愛(ài)因斯坦和原子能 愛(ài)因斯坦早在1905年發(fā)表狹義相對(duì)論的原始論文，作為相對(duì)論的一個(gè)推論，他又提出了質(zhì)能關(guān)系。這種關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，對(duì)解釋原子能釋放有重大意義。 在知道原子能以前，只知道世界上有機(jī)械能，如汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能;有化學(xué)能，如燃燒酒精放出熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸細(xì)怏w和水;有電能，當(dāng)電流通過(guò)電爐絲以后，會(huì)發(fā)出熱和光，等。這些能量的釋放，都不會(huì)改變物質(zhì)的質(zhì)量，只會(huì)改變能量的形式。 例如，兩輛完全相同的汽車(chē)，都是5噸，一輛在運(yùn)動(dòng)，一輛是靜止的，運(yùn)動(dòng)的車(chē)雖然有動(dòng)能，但其質(zhì)量與靜止的車(chē)是完全一樣的，不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化;如果運(yùn)動(dòng)的車(chē)一旦與靜止的車(chē)發(fā)生碰撞，猛然停止時(shí)，動(dòng)能雖然失去了，可我們發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)在相撞處變得很熱。這是什么原因呢?汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成了撞擊點(diǎn)金屬的熱能，而汽車(chē)的質(zhì)量仍然沒(méi)有改變，還是5噸。這是用我們的常識(shí)可以理解的。 但愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)質(zhì)能關(guān)系以后，他的理論是，質(zhì)量也可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，而且這種轉(zhuǎn)變的能量非常巨大。 例如，原子能比化學(xué)反應(yīng)中釋放的熱能要大將近5千萬(wàn)倍:鈾核裂變的這種原子能釋放形式約為200，000，000電子伏特(一種能量單位)，而碳的燃燒這種化學(xué)反應(yīng)能量?jī)H放出4.1電子伏特。原子能是怎樣產(chǎn)生的呢?前面已經(jīng)提到，鈾核裂變以后產(chǎn)生碎片，我們發(fā)現(xiàn)，所有這些碎片質(zhì)量加起來(lái)少于裂變以前的鈾核，那么，少掉的質(zhì)量到哪里去了，就是因?yàn)檗D(zhuǎn)變成了原子能。數(shù)學(xué)上用E=mc2 的公式來(lái)表示，即:能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。由于光速是個(gè)很大的數(shù)字(c=30，000，000，000厘米/秒)，所以質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰亢髸?huì)是個(gè)非常巨大的數(shù)量。愛(ài)因斯坦的理論超出了人們的常識(shí)范圍，這正是他的過(guò)人之處。 愛(ài)因斯坦的這個(gè)質(zhì)能關(guān)系正確地解釋了原子能的來(lái)源，奠定了原子能理論的基礎(chǔ)。 聚變正好相反 核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核)往往伴隨著能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸;如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量來(lái)源。 目前人類(lèi)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類(lèi)有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。科學(xué)家正努力研究如何控制核聚變，但是現(xiàn)在看來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。