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太陽能來源于核聚變反應(yīng),核電站能量來源于核裂變反應(yīng),化石燃料(煤、石油、天然氣)燃燒能量來源于化學反應(yīng)。
1.1千克鈾-235相當于2700噸標準煤
燃燒煤是碳的氧化反應(yīng),一個碳原子與一個氧分子結(jié)合生成一個二氧化碳分子,釋放出能量(E),這個能量小得很,只有4.1電子伏。燃燒1千克標準煤可釋放7000多千卡(1千卡=2.6×1022電子伏=4187焦耳)熱量。
碳(C)+氧(O2)→二氧化碳(CO2)+能量(E)
煤、石油、天然氣燃燒,都釋放化學能。化學能是原子重新組合及其電子重新分配的結(jié)果,原子核本身并沒有發(fā)生變化。
核電站中發(fā)生的是鈾核裂變反應(yīng),一個鈾核裂變釋放的能量約為200兆電子伏。
因為235克鈾中含有6.023×1023個(阿伏加德羅常數(shù))原子核,1克鈾中含2.56×1021個原子核,所以說,1克鈾-235釋放的能量可達到5.12×1023兆電子伏。
燃燒
1千克鈾-235放出熱量
19 600 000 000千卡
燃燒
1千克標準煤放出熱量
7 000千卡
燃燒
1升重油放出熱量
9 900千卡
燃燒
1立方米天然氣放量熱量
9 800千卡
不難算出,1千克鈾-235裂變放出的熱量相當于燃燒約2700噸標準煤。同一質(zhì)量下,核能比化學能大幾百萬倍。
2.巨大的核能從何而來
我們知道,自然界中物質(zhì)都是由原子組成的。原子是由位于中心位置帶正電荷的原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)帶負電的電子構(gòu)成的。而原子核又由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子和中子是由被稱為“夸克”的更小粒子組成的,夸克又是由更小的粒子組成的,夸克的結(jié)構(gòu)目前正在探索中。迄今人們已發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)五個層次結(jié)構(gòu)(分子——原子——原子核——核子——夸克)和310多種基本粒子。
在原子核中,中子不帶電,質(zhì)子帶正電,同性要相斥,把質(zhì)子和中子緊箍在一個非常小的空間(原子核直徑約為10-13厘米)存在著一股巨大的力,科學家稱它為核力,核力比電磁力要大130倍。核力與電磁力、萬有引力都不同,它只在原子核直徑的很小范圍內(nèi)起作用。當質(zhì)子和中子重新組成新原子核時,核力的強大作用使核子間排列得更緊密,會出現(xiàn)質(zhì)量減少和放出能量的情況,這種釋放出的能量,科學家稱之為原子核結(jié)合能。
3.請愛因斯坦來做解釋
大科學家愛因斯坦提出的相對論指出,質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化,質(zhì)量消失,會產(chǎn)生能量。原子核質(zhì)量虧損所釋放出的結(jié)合能,可以由愛因斯坦提出的質(zhì)量能量關(guān)系式計算出來。
E=mc2
式中,E——釋放能量(單位,爾格);m——虧損質(zhì)量(單位,克)
c——光速(單位,3×1010厘米/秒)。
按這個公式,一個鈾-235核受一個中子轟擊,分裂成兩塊碎片X1和X2(如:X1為93Nb,X2為140Ce),并放出2~3個中子(平均2.5個),釋放出約200兆電子伏能量(200MeV)。極小的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成極大的能量。
鈾-235 + 中子→X1 + X2 + 3個中子 + 200 MeV