什么是原子能量

【專家解說】：核能的獲得主要有兩種途徑，即重核裂變與輕核聚變。U-235，有一個特性，即當一個中子轟擊它的原子核時，它能分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核，同時產(chǎn)生2-3個中子和β、γ等射線，并釋放出約200兆電子伏特的能量。 如果有一個新產(chǎn)生的中子，再去轟擊另一個鈾-235原子核，便引起新的裂變，以此類推，這樣就使裂變反應不斷地持續(xù)下去，這就是裂變鏈式反應，在鏈式反應中，核能就連續(xù)不斷地釋放出來。 核聚變能量的釋放 與鈾相同數(shù)量的輕核聚變時放出的能量要比鈾大幾倍。例如1克氘化鋰(Li-6)完全反應所產(chǎn)生的能量約為1克鈾-235裂變能量的三倍多。實現(xiàn)核聚變的條件十分苛刻，即需要使氫核處于幾千萬度以上高溫才能使相當?shù)暮司哂袆幽軐崿F(xiàn)聚合反應。 例如，兩輛完全相同的汽車，都是5噸，一輛在運動，一輛是靜止的，如果運動的車一旦與靜止的車發(fā)生碰撞，猛然停止時，動能雖然失去了，可我們發(fā)現(xiàn)，汽車在相撞處變得很熱。這是什么原因呢?汽車的動能轉(zhuǎn)變成了撞擊點金屬的熱能。但是，原子能比化學反應中釋放的熱能要大將近5000萬倍:鈾核裂變的這種原子能釋放形式約為2億電子伏特(一種能量單位)，而碳的燃燒這種化學反應能量僅放出4.1電子伏特。原子能是怎樣產(chǎn)生的呢?鈾核裂變以后產(chǎn)生碎片，但所有這些碎片質(zhì)量加起來少于裂變以前的鈾核，那么，少掉的質(zhì)量到哪里去了，就是因為轉(zhuǎn)變成了原子能。愛因斯坦用E=mc2的公式來表示，即:能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。由于光速是個很大的數(shù)字(c=299792458m/s)，所以質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰亢髸莻€非常巨大的數(shù)量，釋放的能量為ΔE=Δmc2。在核反應過程中，原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化釋放出的能量，又稱核能，20世紀30年代末，科學家發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾原子核，一個入射中子能使一個鈾核分裂成兩塊具有中等質(zhì)量數(shù)的碎片，同時釋放大量能量和兩三個中子;這兩三個中子又能引起其他鈾核分裂，產(chǎn)生更多的中子，分裂更多的鈾核.這樣形成的自持鏈式反應，可在瞬間把鈾核全部分裂，釋放出巨額能量.鈾235可以被任何能量的中子特別是運動速度最慢的熱中子分裂.鈾238只能被運動速度很快的快中子分裂，對慢中子和熱中子則只俘獲不分裂.通常所說的核裂變，主要指鈾235核分裂.一個鈾235核分裂釋放的核裂變能為2億電子伏特.這是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的一種方式，叫裂變反應.另外一種方式叫聚變反應.如一個氘核和一個氚核聚合成一個氦核釋放出的核聚變能為1760萬電子伏特.以相同質(zhì)量的反應物的釋能大小作比較，核裂變能和核聚變能分別是化學能的250萬倍和1000萬倍，1千克鈾235相當于2500噸煤，1千克氘和氚相當于1萬噸煤. 編輯本段原子能發(fā)電 概述 利用鈾、钚、釷等核燃料在核反應堆中核裂變所釋放出的熱能，將水加熱成高溫高壓蒸汽以驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電的一種發(fā)電方式。 無知的代價在本世紀初，人們對鐳等放射性物質(zhì)的危害還一無所知。在美國新澤西州的一家鐘表制造店里，女工們用極尖的油漆刷把含鐳的油漆涂在手表的針面上。有些女工用嘴唇抿直刷毛，以保持漆刷的尖銳。她們所咽下去的少而又少的一點鐳為骨骼所吸收。數(shù)年之后，有人因鐳中毒而死亡。這是因為對放射性物質(zhì)的無知而造成的典型的悲劇。其中有些染病的骨骼已被保存在實驗室里，供作進一步研究用。 隨著人類對放射性和原子能認識的加深，特別是原子彈問世以后，大批科學家開始了和平利用原子能的研究。現(xiàn)在人們已經(jīng)知道，原子能不僅可用來造原子彈，還可以用于發(fā)展生產(chǎn)、改善人民生活、減輕人類的痛苦。 核電站是清潔的能源 目前環(huán)境污染問題大部分是由使用化石燃料引起的，化石燃料燃燒會放出大量的煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，由二氧化碳等有害氣體造成的“溫室效應“，將使地球氣溫升高，會造成氣候異常，加速土地沙漠化過程，給社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展帶來災難性的影響，核電站并不排放這些有害物質(zhì)，不會造成“溫室效應“，與火電廠相比，它能大大改善環(huán)境質(zhì)量，保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境等。 在國外核電站的周圍有人居住、游泳、放牧牛羊、釣魚，有的核電站位于大城市附近，有的位于游覽區(qū)。核電站是安全、經(jīng)濟、干凈的能源，與火電站相比，更有利于保護環(huán)境。 核電站是經(jīng)濟的能源 世界上有核電國家的多年統(tǒng)計資料表明，雖然核電站的比投資高于燃煤電廠，但是，由于核燃料成本顯著地低于燃煤成本，以及燃料是長期起作用的因素，這就使得目前核電站的總發(fā)電成本低于燒煤電廠。 核能是可持續(xù)發(fā)展的能源 世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸。這些裂變?nèi)剂献銐蚴褂玫骄圩兡軙r代。聚變?nèi)剂现饕请弯?，海水中氘的含量?.034克/升，據(jù)估計地球上總的水量約為138億億立方米，其中氘的儲量約40萬億噸，地球上的鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來制造氚，足夠人類在聚變能時代使用。按目前世界能源消費的水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。因此，有些能源專家認為，只要解決了核聚變技術(shù)，人類就將從根本上解決了能源問題。 原子發(fā)電不是夢 人們最容易想到的利用原子能的途徑就是設計一種原子反應堆，然后利用里面產(chǎn)生的熱能發(fā)電。但是，用原子能發(fā)電要比用傳統(tǒng)的方法貴得多。主要不是因為所用的燃料昂貴，而是由于原子能發(fā)電廠的建造要十分安全，能夠防止射線的逸出。只有在技術(shù)條件成熟的情況下，原子能發(fā)電廠的造價才會有所降低。 從1956年英國女王伊利莎白二世按下開關(guān)按鈕、世界第一座大型原子能發(fā)電廠供電開始，到1965年，英國已有19座原子能發(fā)電廠，還有許多座發(fā)電廠正在設計過程當中。現(xiàn)在許多國家都有原子能發(fā)電廠。 當科學家們最早談起輕便的原子能發(fā)電廠時，很多人認為他們是在做夢。今天，有些機動的原子能發(fā)電廠，或以車載或以空運送到一個地點，在12個小時之內(nèi)就可以發(fā)動使用。而一磅的鈾就相當于6千桶的油料。對于荒涼的北極和南極地區(qū)而言，在低于零度的氣溫條件下，輕便的發(fā)電原子反應堆似乎是解決電力和熱量供應問題的最好方法。如美國曾用27只大箱子裝滿原子發(fā)電廠的零件，每只重約15噸，送到偏僻的懷俄明山頂，到那里再安裝起來，成為一座供雷達使用的中型發(fā)電廠。 除了發(fā)電外，體積較小的原子反應堆還有其他用途，美國1955年下水的第一艘核潛艇“鸚鵡螺號”就是用和高爾夫球一樣大小的一塊鈾推動的。“鸚鵡螺號”第一年在海上航行了幾萬公里，沒有添加任何燃料。 原子反應堆在產(chǎn)生大量熱能的同時，還能產(chǎn)生大量的中子流。有一些元素在中子流的轟擊下能捕捉住其中的一個中子，變成具有放射性的元素。但是，這些元素不是通常所說的放射性元素，它們由于吸收了一個中子才具有放射性，因此人們稱它們?yōu)槿嗽旆派湫栽?。多了一個中子后，原子的質(zhì)量也發(fā)生了變化，人們又稱這些元素為放射性同位素。 不管是哪一種放射性元素，其表現(xiàn)都是一樣的。它能夠持續(xù)不斷地放射出射線和粒子。放射性同位素正是靠這種表現(xiàn)才身價百倍。 編輯本段原子時代的“福爾摩斯” 設想一個竊賊從現(xiàn)場慌忙逃跑。他經(jīng)過出口，一擦而出，但難免有一點兒幾乎無法覺察的油漆附著到他的衣服上，或者可能從偷來的汽車上沾到一點油污，或者從犯罪的現(xiàn)場帶走一縷頭發(fā)。使用原子放射性的活化分析能夠鑒定這些微小的東西，而讓他們俯首認罪。雖然不同人的頭發(fā)含有少許相同的成份，但其所有的各種成份的數(shù)量卻因人而異。 活化分析 活化分析是原子能在工業(yè)界最有意思的應用。當某物一經(jīng)放射性照射，其每一種構(gòu)成元素都會變?yōu)橐环N同位素，而且每一種同位素都有其獨特的放射方式。利用這種方法，科學家可以鑒別物體里的材料種類，以及每一種成份的精確數(shù)量。 活化分析有兩大優(yōu)點，其中之一就是可在幾分鐘內(nèi)準確無誤地鑒定物質(zhì)。若用過去的老方法，可能需要數(shù)天甚至數(shù)周的時間。 放射性同位素可用作一種檢查工具，尋找飛機機身損壞的部位，和電氣系統(tǒng)聯(lián)接不良的地方。機身上有些部位不容易達到，但是使用放射性同位素如銫137可以進行檢查，而且輕而易舉。 放射性偵察 放射性偵察還可以保護機器操作人員的安全。比如，沖壓機操作人員的手可用放射性袖口來加以保護，當他沒有及時把手抽出來的時候，機器便因放射線的關(guān)系而自動停止下來。 有些貨箱在脫離生產(chǎn)線的時候，可以用放射性同位素來檢查，如果一個貨箱裝得不好，在貨箱經(jīng)過兩邊分別設置有同位素和蓋革計數(shù)器的通道時放射線增加，一只警告燈便亮了起來，或者可以調(diào)整機器，使之能適時地剔出包裝不良的貨箱。 檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量和效果 放射性在工業(yè)上還有一種應用，即檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量和效果。以肥皂和洗滌劑為例。細菌小而又小，不用顯微鏡便無法看到它們。不過，如果用放射性同位素來培養(yǎng)細菌，它們都變得有放射性，可以很容易地用蓋革計數(shù)器測出來。如果為了檢查各種肥皂和洗滌劑的清潔能力，把放射性細菌放在衣服上，再各用不同的肥皂和洗滌劑清洗，測量殘留的細菌就可以知道每一種肥皂和洗滌劑的好壞。 編輯本段原子能的應用 醫(yī)生的好“幫手” 誰都知道，用放射性來治療癌癥是很有效的。美國的醫(yī)生就曾用一種金屬制的彈丸，使其具有放射性，然后利用特別的槍把彈丸射入根深蒂固的腫瘤里面。 割除癌性腫瘤后，外科醫(yī)生用具有放射性的鈷絲縫合創(chuàng)口，不僅可以起到一般縫合的作用，而且還有放療殺癌細胞的功能，可謂一舉兩得。 使用放射性可追蹤碳原子在生命過程的行蹤。如讓老鼠吃有放射性碳(碳14)的糖，則通過蓋革計數(shù)器可偵察到糖的行蹤。如果在老鼠的脂肪里找到了放射性的碳原子，就可以判斷糖已經(jīng)轉(zhuǎn)化為脂肪了。 放射性同位素有時還幫助醫(yī)生做出重要的判斷。一位婦女在一次意外的事件中壓傷了手臂，正躺在一家醫(yī)院的手術(shù)臺上等候手術(shù)。但是外科醫(yī)生必須盡快查明她的手臂里是否還有足夠的血液循環(huán)經(jīng)過，以便決定要不要做截肢手術(shù)。醫(yī)生把放射性鈉，以放射性食鹽的形式摻進普通的食鹽里面，注進了這名婦女的血管里，然后用蓋革計數(shù)器進行追蹤。結(jié)果顯示，這條手臂尚有相當充分的血液循環(huán)存在。因此在幾秒鐘內(nèi)，這種放射性同位素便使醫(yī)生斷定無須做截肢手術(shù)。 放射性同位素對診斷癌癥也很有幫助。哈佛醫(yī)學院和麻薩諸塞州的許多醫(yī)院，都在使用一種“正子診察機”來檢查腦瘤，而不必開顱。將少量的放射性砷注射到患者的靜脈里，幾小時后，帶有放射性標簽的砷便在蓋革計數(shù)器上顯現(xiàn)出來，并顯示出何處砷的數(shù)量最多。由于癌瘤比正常的組織吸收較多的放射性砷，在大多數(shù)情況下，醫(yī)生都可以準確地判斷癌瘤的大小和位置。而乳癌可以利用放射性鉀來診斷，因為放射性鉀集中于乳瘤的部分遠比其他部位多。 顯然，放射性不僅可以致人于死地，也能使病人從病痛中解脫出來。 農(nóng)民的朋友 隨著生物技術(shù)的發(fā)展，放射性同位素在農(nóng)業(yè)上也有廣泛的應用。 全美國的農(nóng)民每年用于肥料上的金錢要超過1000萬美元。放射性同位素可以指導他們?nèi)绾卫眠@筆投資來獲取更大的收益。對于每一種農(nóng)作物，農(nóng)民都可以利用放射性同位素確定何種肥料及多大施用量為最合適，并能確定施肥的最佳時機和最佳方法。以前人們一直認為植物所有的養(yǎng)分都是由其根部吸收的，但是利用放射性同位素作示蹤劑證明，事實并非如此。果樹、番茄、馬鈴薯以及其他植物的葉也可以迅速有效地吸收肥料。根據(jù)這種情況，農(nóng)民不僅把肥料施用于土地上，也噴灑在葉子上，這樣植物對肥料的吸收量大約可增加10倍以上。使用放射性同位素還可以改良植物的品種。 科學家很早就知道，植物暴露于放射線之下可以產(chǎn)生變異，并且這種變異可遺傳給下一代。目前，利用放射性同位素改良植物的品種已取得很大的進展。放射線使蘋果、梨和葡萄等發(fā)生突變。利用這些實驗，人類可以隨心所欲地得到色香味俱佳的水果和蔬菜。更進一步的研究表明，科學家利用放射性進行科學育種，使有些植物可以生長在干旱地帶、有些植物可以生長在多雨地區(qū)。并且在不遠的將來，無論是在高寒地帶，還是在土壤貧瘠的地區(qū)，都會有適宜的農(nóng)作物生長。 從事植物研究的科學家已經(jīng)成功地培育出大麥的新品種，該品種大麥的麥粒和麥稈的產(chǎn)量都很高。通過對花生的種子進行放射性處理，能使每畝的產(chǎn)量提高30%.此外，現(xiàn)在培育出適應某種需要的種子只需用一年半的時間，若用傳統(tǒng)的植物育種的方法，至少要花費十年的時間，并耗用大量的資金。 放射線還是對付害蟲的一種武器。雄性螺旋蠅經(jīng)過鈷照射后便不能生育，雌性螺旋蠅與失去生育能力的雄性螺旋蠅交配所產(chǎn)的卵便不能發(fā)育成蟲。農(nóng)業(yè)科學家已利用這種方法消滅了大量的害蟲。 對于新問世的動物催肥劑是否對人體有害也可以用放射性做實驗。一種新型的供豬和雞食用的催肥劑給豬和雞吃了以后，可減慢其甲狀腺的功能，從而使豬和雞在同樣食量的情況下，生長得又快又肥。但是，在豬的肌肉里，是否含有這種催肥劑的成份?人吃了這種肉后，是否會對身體健康有影響?在烤雞和炒蛋里面是否也含有這種催肥劑呢?這是令人擔憂的問題。但是，利用放射性實驗得出的答案是否定的。農(nóng)民可以安全地使用這種催肥劑來增加豬和雞的重量。 利用藥物可減緩動物甲狀腺功能，對人體并不造成任何損害這一原理，科學家還使母牛的性情變得溫和起來，并使之產(chǎn)更多的牛奶。 我們正步入原子時代，人類走到了十字路口。一條路是把原子能所創(chuàng)造的奇跡用在和平的目的上，以謀求社會的進步。另一條路則通向地球上生命的死亡和毀滅，制造更大的更加可怕的炸彈。我們相信人類會選擇前者，而不是后者。 編輯本段第四代原子能 利用反物質(zhì)的原子，制造無任何污染的核能源。將氫原子核中的質(zhì)子與氫原子加速對撞，產(chǎn)生反氫原子，此時的原子核為負電荷，外圍電子為正電荷，當反氫原子與氫原子相遇時，灰飛煙滅，瞬間產(chǎn)生強大的光輻射能和波能并摧毀一切，核聚變過后，不會剩余任何的核污染物。可利用正反物質(zhì)的原子核聚變，來生產(chǎn)新型的核能源，以代替重污染的核材料。科學家正在尋找簡便的方法來制造反物質(zhì)，利用外太空收集器的方式，收集反物質(zhì)粒子，也可利用高強度的激光照射黃金，產(chǎn)生黃金的反物質(zhì)，也就是制造反金原子。用以減少制造反物質(zhì)的成本，加速新型核能源的生產(chǎn)。