核聚变和核裂变听起来是两个完全相反的过程,为什么都会释放能量?

九话

其实这个问题很好,但是表述上有点问题。不是所有的核聚变和核裂变都要释放能量,甚至某些元素的核聚变和裂变都会吸收能量,不过这需要很苛刻的条件!

我们根据爱因斯坦的质能方程E=mc²,能得出一个很明显的结论:即便质量再小的物质,都能释放巨大的能量,原因在于c²是个很大的系数!


不管是原子弹还是氢弹,它们之所以可以释放能量就在于核子的分裂或者结合都亏损了质量,亏损的质量乘以光速的平方就是释放的能量!

归根结底地说:核聚变之所以会比核裂变释放好几百倍的能量,在于核聚变的质量亏损大于核裂变!

那为什么核聚变会比核裂变质量亏损更多呢?

其实核子都可以分成轻核和重核,这个以铁元素为基准!铁前面的元素可以认为是轻核,铁后面的原子可以认为是重核!

质子和中子以及它们的反物质统称为核子,是构成原子核的粒子,这些核子之所以可以被结合在一起,是因为核子间有强大的核力,这是一种强力,远比电磁力强劲!

要把核子们分离开来所需的能量随着核子数的增多而增加!这种能量就是结合能!从下图可以看出来,铁的结合能最大,也就是说:铁是最稳定的!


铁前面的元素属于轻核,其原子核中的核子数量较少!

实验表明:

  1. 在铁前面的元素是这样的规律:若干个核子(总质量M)结合成更重的原子核(质量m)时,其的核子们原先的总质量M要比新结合的原子核质量m要大的多。所以轻核子们的总质量就亏损了,亏损质量Mο=M-m。反过来讲:新的原子核如果要再裂变成原来的轻核子,则需要吸收能量以弥补质量亏损Mο,才能恢复到原来轻核子们的总质量M,所以说轻核很难很难发生核裂变,目前人类技术还达不到让轻核子发生裂变!

  2. 铁后面元素的规律和上面是相反的:重核子一般只会核裂变,因为原子核裂变前质量为M,裂变后的核子们总质量为m,M≯m。如果要重核子聚变则吸引吸收能量以弥补质量亏损,所以重核子只存在理论上聚变,现在人类还不足以让重核子聚变!所以我们常常听到原子弹以重元素铀和钚为原料;而氢弹则是以氘氚这样的轻核子为原料!

最后研究表明:核子们结合后形成新的原子核的质量会比核子们的总质量小的多!而重核子裂变后的质量亏损程度却没有核聚变那么显著! 那么谁质量亏损的多,谁释放的能量就越大!

而铁元素是最稳定的,它既不会核聚变也不会核裂变!这是超新星爆发的根源!

事实上,恒星总是依靠不断地聚变释放能量以对抗引力,维持体积的平衡!但是恒星内部不断聚变,总会导致其内部的元素越来越重,最后停留在铁元素这里就不会聚变了。因为重核元素不会再聚变。这就导致恒星本身不会再聚变以提供能量对抗引力,而重元素都会沉积在恒星内部,并导致恒星引力坍缩,随后物质急剧往内部沉积,导致剩余的轻核子短时间内集中聚变,从而引爆恒星(超新星爆发),最终走向死亡!


科学认识论


原因

主要原因是:每种原子内的核子(中子、质子、反中子和反质子的统称),平均质量存在差异,在铁原子中的平均质量最小。

这将导致:

(1)铁以下的原子,聚变会释放能量;

(2)铁以上的原子,裂变会释放能量;




核子质量

原子一般由质子和中子组成,比如氘核,氘核就由一个质子和一个中子组成,但是氘核的总质量,并不等于“质子质量+中子质量”。

因为它们之间的强相互作用,会因为相对论效应(质能方程),产生额外的相对论质量。



如此一来,不同原子的中子数和质子数不同,强相互作用存在差异,就会反映到核子的相对论质量上;对于每种原子的平均核子质量,就能反应每种原子的相对论质量大小。


平均核子质量图

如果把不同原子的平均核子质量列出,就能得到下图:



其中,铁原子是极值点,也就是说铁的平均核子质量最小,这就导致一个结论:

(1)比铁小的元素,发生聚变后,平均核子质量降低,亏损的质量将以能量形式释放;

(2)比铁大的元素,发生裂变,平均核子质量也降低,亏损的质量也以能量形式释放;

(3)图像上还可以看出,氢核的平均核子质量,大于重元素的平均核子质量,所以聚变亏损的质量大于裂变亏损的质量,释放的能量自然就更高;



这就是裂变和聚变,释放能量的基本原理。


其他情况

当然,如果你要反其道而行,也是可以的。

比如:

(1)比铁小的元素(比氕大),理论上也可以发生裂变,但是平均核子质量增加,需要补充能量,而且是大量的能量;

(2)比铁大的元素,也可发生聚变,平均核子也是质量增加,同样需要吸收能量,比如超新星爆发中,就能发生这样的核反应;

对于这两种情况,都需要吸收巨大的能量,所以反应条件非常苛刻,只有某些极端条件下,才能进行!



目前,人类能掌控核裂变反应,并用于发电,比如核电站,还有利用衰变释放能量的核电池;但是可控核聚变的技术目前还没有,不可控聚变就是氢弹。



艾伯史密斯


胜381031

核反应能量释放的原理在于这个公式:E=MC^2,E是能量,M是质量,C是一个常数,代表真空中的光速。这个公式表明了能量可以由质量转换得到,如何去转换呢?将这个公式稍微改变一下,变成△E=△MC^2,△符号表示差量,通过这样变化我们可以看出,质量的差量可以转化成能量并释放出来。

现在明白了吧,能量的释放主要在于质量的亏损,核聚变和核裂变之所以都能释放能量,其原理在于这两个反应的反应前后质量不对等,少的那部分质量转换成了能量。

拿两个实际的例子给你说明一下:

核裂变——原子弹

原子弹通过核裂变释放能量,利用铀元素的同位素铀235做核裂变反应,这个反应的过程是一个铀原子吸收一个中子,裂变成一个钡原子核一个氪原子,并释放三个中子。反应方程式是这样的:U235+1n→Ba142+Kr91+3n。

我们计算一下反应前后的质量:左边铀原子的质量加上一个中子的质量为236.0526u,右边钡加氪加上三个中子的质量为235.8373u,比左边少0.2153u,这就说明发生了质量亏损,这损失的质量就转换成了能量。这就是核裂变能产生能量的原因。

核聚变——氢弹

氢弹的主要原理是核聚变,利用氢元素的同位素氘、氚,通过聚合反应将氢变成氦。这个反应过程大致是这样的:首先外加能量使氘和氚聚合在一起,质子相加形成两个质子的原子核——氦,同时释放出一个中子。

反应方程式如下:2H+3H→He+1n,通过计算左右两边的质量,右边的质量大约比左边的质量少了0.0189u,这说明核聚变也发生了质量亏损,这损失的质量同样转化成了能量,所以核聚变也能产生能量。

By the way:太阳能够源源不断地发光放热也是因为太阳上一直在发生了强烈的核聚变,并且截至目前,太阳已经核聚变了40多亿年,估计还能反应50多亿年。

回到你的问题:一堆原子先聚变再裂变就会一直释放巨大的能量,是吗?

是的!事实上我们利用的核裂变的能量就是通过核聚变产生的重元素再裂变出来的,但聚变需要能量,人工合成铀元素所需要的聚变能量远远大于铀元素核裂变所释放的能量,这明显是笔亏本买卖。那这些元素是哪来的呢?答案是大自然。

铀元素的形成来自于超大质量恒星,超大质量恒星在氢核聚变反应结束之后,恒星在自身强大的万有引力的作用下向内坍塌,压缩,造成超高温、高压的环境,这样极端的环境促使了更重的元素的聚变形成,比如金、铂、铀、钚等元素,,,接着再通过宇宙中的一些高能反应比如超星星爆炸,将这些元素散播到宇宙空间中,其中一些则来到的地球。

这个过程将势能、热能等复杂的能量通过核聚变转换成了核能并储存在元素中,我们再通过核裂变将其释放出来,大致就是这么个过程。


蚂蚁科学

最简单易懂的说法在这里!(当然,过于简单,所以细节并不完全准确)

原子核中的质子之间存在电磁力(相互排斥,都是正电荷嘛),质子与中子,这些重子之间存在强相互作用力(相互吸引)。有吸引有排斥,就能达到平衡。

强相互作用力很大,但是随距离增大衰减很快(相对电磁力)。

很多上面答案里说到铁,也就是在铁原子核大小时(按里面重子之间的距离),所有质子中子之间的强相互作用力(引力),几乎正好等于质子之间的电磁(斥力)。铁原子核是核的级别”势能”最低的。

所以,小于铁的,越小越有可能聚变,大于铁的,越大越有可能裂变。

引力在核的级别非常不明显,不用考虑;弱相互作用力是中子辐射电子的力,一般也不参与这个过程。

聚变很难发生,主要是因为,不同原子的原子核之间,距离很远,几乎都只表现为电磁斥力,除非高温高压作用,否则原子核之间根本达不到能产生明显强相互作用力的距离。相反,裂变其实并不难发生,大的元素都有半衰期就是放射性,因为原子核越大电磁斥力相对于强力就越大,越有可能分裂。这就是为什么现在只能有一百多种元素,序数大于一百一十几的元素就几乎不能存在了,因为原子核太大,强力已经吸不住重子了,很快就裂变掉了。


礼文岛

过程不重要,重要的是发生了质量亏损,亏损掉的质量以能量的形式释放出来,其实你仔细看聚变裂变方程式就会发现,在这两个过程中,总的质子数和中子数是没有变化的,但是它的总质量减小了,减小的质量几乎微乎其微,但是你看一下质能方程式E= mc²就会发现,很小的质量就蕴含着非常大的能量,所以根据质能方程变形△E=△mc²就可知道,亏损很小的质量就能释放出非常巨大的能量。可能有人会问,那质子和中子的总数没变,怎么亏损的质量呢?其实这个问题很好回答,只是有时候我们围着课本上的东西去研究这个问题,而课本上可能并没有讲的那么深,导致我们掉进了牛角尖,如果你学的知识多了,你就很容易明白。其实质子和中子是可以再分的,组成质子和中子的是夸克,目前公认的夸克有6种,上夸克,下夸克,顶夸克,底夸克,奇夸克,粲夸克,夸克公认不能单独分离出来,这六种夸克组成强子,强子种最稳定的两种是质子和中子。既然它们稳定,为什么能发生质量亏损呢?我们举一个模型。有两个钢珠,它们以很大的速度发生碰撞,碰撞以后两个钢珠还是两个钢珠,个数没变,但是可能掉一个很小的渣,我们有时候就忽略不计了,认为没有发生太大变化。原子核的裂变和聚变也是这样的,当它们达到一定条件,获得一定能量,发生这两种反应,肯定会会像钢珠掉渣一样亏损点质量,从个数上是看不出有多大变化的,亏损的这些质量变成了能量。


新闻离我有多远

很高兴回答你的问题。

答:核聚变和核裂变都能释放出巨大的能量,太阳的能量来源就是内心的核聚变,还有氢弹的爆炸也是核聚变;被人类应用的核电站是核裂变,原子弹的爆炸也是核裂变。主要原理就是爱因斯坦的质能方程E=mc^2 ,即便核聚变和核裂变的质量损失都很小,但是在光速的参与下,能量将是巨大的。

核聚变

对于核聚变的过程人类尚不可控,轻原子核在特定条件下结合成较重原子核(氕氘氚结合成氦)如下过程:

在此过程中伴随着质量的损失,轻核在结和成重核的过程中,电子在损失,中子也在损失。能量的释放将是巨大的。

核裂变

人类已经可以应用核裂变获得所需能量,科学家发现原子核的质量小于组成原子核的全部核子质量的总和差额Δm称为质量亏损,也就是说重核在分裂成轻核后存在质量损失的情况。这部分质量损失在光速的加持下,能量巨大。

(图片来源网络,侵删)


以上是我的简单回答,祝好。


黑洞家的铲屎官

这说明了一个问题,原子中隐藏了大量的能量。问题来了,什么是能量?什么是能量?据本人理解,能量就是改变物体(物质)运动状态或属性的“力”。问题又来了,什么是力?力必须依附于物质,依靠物质的运动来体现。可见,单纯的力是不存在的。我们所认知的力,有两个最基本原则。第一,施受力之双方必须通过接触或间接接触才能产生;第二,根据力的方向划分并总结,我们只能接受并理解推力和反推力。总之,宇宙自然的一切,都必须在这两个原则上去理解。


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