03.06 既然很多元素能进行核聚变,为何人类只造了氢弹,而不造別的弹,如氮弹?

香烟飘渺35


氢弹能把威力发挥到最大,同等吨位的其他弹释放的能量远远低于氢弹释放的。

为什么会这样?这里其实涉及到一个叫做结合能的概念——结合能,简单理解就是较轻的核子结合成较重的的核子时释放的能量,也就是核聚变释放的能量。

从上图可以看出,从氢核(H)到氦核(He)每个质子的结合能陡然上升,以后的碳核(C)氮核(N)氧核(O)之间的差距很小,上身缓慢。

这什么意思?实际上两个相互靠近的核子之间的差值就是由其中较轻的核子聚变较重核子释放的能量,而所有核子中,氢核到氦核是差值最大的。

这条曲线的最大值的地方,也就是质量数为56的铁核,在曲线的右边,结合能不升反降!这意味着铁核及其后面的核子在聚变时不释放能量,还反倒吸收能量,恒星没了核聚变释放的能量形成的辐射压来抵抗自身的重力,也就坍缩爆炸,变成超新星了,这也是为什么说铁元素是恒星杀手的重要原因。

除了结合能,还有另一个和它相关的概念,叫做比结合能——比结合能是结合能与核子数的比值,描述的是原子核的稳定性,数值越大,质子和中子结合的越紧密。


同样的,核子之间的比结合能差值也能反映从一种核子转变成另一种核子释放或者吸收的能量。

除了(比)结合能的原因,还有另一个重要原因就是氢核之间的电荷排斥力最小。

氢核因为拥有的质子数最少,仅有1个质子,而氮核却拥有7个质子,由此导致两个氮核结合在一起的电荷排斥力(库仑力)要比两个氢核结合在一起更大更困难。

这意味着聚变氮核需要更高的温度和更大的压力,而小小的核武器是不能提供这样的环境的,包括像太阳这种每秒爆炸释放相当于100万亿颗广岛原子弹能量的核武器库也不能提供把氮核聚变成更重核的任务。


科学新视野


直接答案就是理论和实践的区别。

在核物理理论中有一个专业名词叫比结合能,比结合能是表征原子核稳定性的一个物理量。原子核位于原子核的中部,由中子和质子两种核子构成。比结合能越大,原子核就越难“拆开”成单个核子,就越难参与到核反应中。


如图中所示,自然界目前发现的元素中,铁的比结合能是最大的,氘和氚的比结合能是最小的,也就是理论上来看,除了铁我们都有办法来使他参与核反应的,只不过选择氢元素的同位素氘和氚最容易发生核聚变反应。就像我们生火时会选择容易燃烧软柴是一个道理。

核聚变反应本身需要极高的温度和压力,氘和氚之间的聚变即便是最容易,初始的反应条件温度大概也需要至少1400万摄氏度,还需要极高的压力,反应条件如此苛刻,以至于目前我们无法持续提供这么一个反应环境,只有在原子弹爆炸瞬间产生高温能够达到这个反应条件,但即便是这个高温也不能够大多数元素参与聚变,因此氘氚是最优的选择,理论上除了铁都可以,但是只有氘氚可以实际应用。

最后一点敲黑板,氢弹不是使用的普通的氢原子,而是氢的同位素氘和氚。


核先生科普


答:主要原因是,氢元素的聚变条件最低,包括温度和压力。


理论上,氦元素、碳元素、氧元素以及硅元素等等,都是可以发生核聚变反应的,不过所需的反应条件非常高。


在物理学中,每种元素都有一个“比结合能”,表示把原子完全分开成独立核子(中子和质子的统称)时,需要输入的能量与核子数之比,也叫平均结合能。



原子的比结合能越高,我们就越难把原子中的核子分离出来,同时表明该原子越稳定;在所有元素中,铁-56是最稳定的。

于是,比铁轻的原子和比铁重的原子,其核子平均质量都比铁-56低,于是在向铁方向聚变或者裂变的核反应,总体上会释放能量,并和亏损的质量满足质能方程。


每种元素聚变或者裂变的反应条件不同,重元素裂变是最容易的,所以原子弹最先被研制出来;而轻元素聚变,需要非常高的温度,比如:

(1)H原子聚变,需要1500万度的温度;

(2)He原子聚变,需要2亿度的温度;

(3)C原子聚变,需要近10亿度的温度;

(4)O原子聚变,需要20亿度的温度;

(5)Si原子聚变,需要30亿度的温度;



氢元素的同位素中,属氘原子和氚原子的聚变条件最低,所以氢弹都是使用氘、氚为聚变材料。


氢元素聚变还有一个优势,就是氢元素的比结合能远低于其他元素,所以氢原子发生聚变时,释放的能量是最可观的,这能维持聚变反应的继续进行,大大降低了氢元素聚变的反应条件。



所以,理论上氦、碳、氧、硅等等元素,都是可以制造成核弹的,但是爆炸所需条件太高,而制造氢弹相对容易得多。


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


核聚变,是有许多元素能够进行,这是一个常识性问题,但是如果要运用到实际,就不是这么说了,就像我们知道银河系直径,宇宙直径,知道归知道,根本就没法旅行不是。可以直白一点说,人类还没有到氮聚变那种地步。这种聚变,连太阳中心的温度和压力都做不到。


人类所掌握的核聚变反应只能在轻元素的原子核之间发生,如氢的同位素氘和氚。重元素目前只掌握核裂变而无法核聚变。我们可以通过化学元素周期表看到,由于氢原子所含的质子数目为1,也就是最小原子,所以排在第一位,越往后的元素,原子质子数目越多,也就是原子核越重,属于重原子核。

单单这种最轻的原子,要让他核聚变,所要的条件都是非常苛刻的,以至于人类为了达到这种聚变条件,氢弹的爆破都需要原子弹先爆炸产生极端高温,再在这一基础上进行聚变。同时,越是重的原子,聚变条件也是越来越苛刻。

就连我们的太阳中心如此高的温度和压力,由氢聚变氦,氦再聚变碳原子核,由此生成的碳原子核后,也再没有能力聚变,而氮原子核还排在碳原子核后面。要生成这种元素,还必须大质量恒星,但是也直至铁元素生成就再也无法聚变了。

所以人类目前连只能搞搞氢弹,连第二位的氦弹都搞不出来,就别提后面那些更重的核聚变了。


壹点科谱


首先,我们平时说的氢弹,它的热核反应原材料也不是我们所熟知的氢,而是氢的同位素,我们叫重氢和超重氢,也叫氘、氚;其次,必须要说明的是,理论上,氮弹是可以造出来的,但是制造氮弹比氢弹的难度要大的多,目前的人类可能还没有这种技术;此外,氮弹释放出的能量也没有氢弹那么多,因此实际意义并不大。

图:氢弹爆炸

说到这儿,就不得不引入物理学中的一个概念:比结合能。比结合能是某种元素原子的结合能和核子数目的比值。这个值越大,原子越稳定。在目前已知的元素中,铁元素的比结合能越大,因此,我们可以说铁元素最稳定。这也就意味着铁元素原子核的平均核子质量是最小的,任意元素通过核反应变成铁元素都要出现一定3的质量亏损而释放能量。原子序数比铁小的可以通过聚变形成铁元素,原子序数比铁大的可以通过裂变形成铁元素。这样看来,氮元素自然也是可以作为核燃料来制造"氮弹"了。

图:比结合能曲线图

但根据比结合能曲线就可以看出,相比较于氢弹来说,氮元素做成的热核武器其威力似乎并没有什么显著的优势。虽然不可否认其威力还是很大,但和氢弹是没办法比的。除此之外,比结合能越大的元素,其核反应所需的条件就越苛刻。目前氢弹的引爆必须用原子弹,也就是说没有原子弹,氢弹是炸不了的。连最容易发生聚变的重氢超重氢发生聚变所需的条件都需要原子弹来满足,那氮弹岂不是需要用氢弹来引爆了?用威力大的引爆威力小的,目的是什么呢?

因此,氮弹是有一定的理论支持的,但实际上由于技术水平和一些其他因素的限制,人类没有去制造氮弹。

新手上路,你的关注就是对我最大的支持~


张家小智儿


这有多方面的原因。

首先氢元素是宇宙中存量最高的元素,最容易获得。

另一方面氢核聚变是所有核聚变元素里能量释放率最高的,单质子的氕最终聚变到能量转化率高达7‰(太阳上就是这种聚变),而元素越重,聚变释放的能量越低,另一方面所需的温度却越高,而温度是需要能量提供的,也就是越重的元素产生核聚变所需的能量越大。到了铁核聚变,释放的能量还不如引起核聚变所需要的能量。

各种元素聚变条件表,第三列就是聚变所需温度。可以看到,从氢核聚变到氦核聚变所需温度就增加了10倍╮(╯_╰)╭而且释放的能量却更少。。。

别说氦弹,就算氢弹我们都不是直接用单质子的氕搞的,因为要像太阳上那样的连锁反应太困难了,我们来看看太阳上怎么进行氢聚变到氦的。

需要一个单质子氢核(氕)进行β+衰变,放出一个正电子和中微子从而使质子变成中子与另一个单质子氢1核聚变产生氢2(氘),氢2再与另一氢1聚变产生两个质子一个中子的氦3,然后两个氦3再聚变成一个氦核和两个氢核,整个过程结束_(:D)∠)_这过程好复杂,一步失败就整个过程都失败。

所以目前的氢弹根本不是用氢1即氕来做聚变材料,而是用同位素氢2(氘)和氢3(氚)来搞,这样两个原子核就一共有两个质子和三个中子,可以实现一次聚变,并且多出一个中子可以实现连锁反应。由于氚很容易衰变,加上氘氚均为气体,不易存储,所以目前是使用固体化合物同位素氢化锂,这里就不展开了。总之就是怎么简单怎么搞,怎么效率高怎么搞。


星宇飘零2099


按照现有理论,元素序号在铁以下的元素都可以通过核聚变释放能量,而元素序号在铁以上的元素则只能通过核裂变释放能量,如果强行进行核聚变,则所要吸收的能量将超过最终所能释放的能量,也就是整个过程的能量释放为负数。

虽然元素序号在铁以下的元素均可以进行核聚变并释放能量,但是不同元素产生核聚变所需的条件是不一样的。而核聚变的条件主要包括温度和压力,只有在温度和压力足够大的情况之下,核聚变才能发生。而在所有元素里,核聚变所需温度和压力最低的就是氢了,因此在人类没有掌握产生高温高压的技术之前,氢核聚变是最容易实现的。

上图是一些常见元素的核聚变条件。从图中可以看到,从第1号元素氢到第2号元素氦,核聚变所需的温度就增加了一个数量级,也就是说氦元素核聚变所需温度是氢元素核聚变的10倍。而压力方面,所需的恒星质量也增加了10倍!(恒星质量越大,引力坍缩所产生的核心压力也越大)这个难易程度差距也太大了,关键是元素序号越大的,也就是越重的元素,核聚变的能量释放率反而越低,也就是相同质量的不同元素所能释放的能量是不一样的,元素越轻,相同质量下释放的能量就越大。所以想要通过核聚变获得能量,较重的元素不单实现核聚变更加困难,能量释放率还更低,这种吃力不讨好的事情谁愿意去做呢?

因此目前世界各国都只掌握了氢核聚变,没有国家打算制造氦以上的核聚变,不划算。其实目前好像也制造不了……

补充说明一下,其实人类掌握的氢核聚变并非用我们平常所知道的氢,而是利用氢的两种同位素:氘和氚。而我们平常说的氢是氕,原子核里只有一个质子;氘原子核里含有一个质子和一个中子;氚原子核里含有一个质子和两个中子。由于氢核聚变的最终产物——氦含有两个质子和两个中子,所以是不能自己通过四个氢核合成的。


科学认识论


因为氢核聚变需要的温度和压力都是人类目前可以达到的,而且释放的能量也十分可观,起码不会入不敷出


人类之所以只能制造氢弹,是因为氢弹的触发所需要的温度和压力是人类可以用原子弹实现的,氢弹是一个三级热核反应,常规炸药引爆原子弹,原子弹的高温高压使得核材料发生聚变反应。

理论上除了铁元素其他任何元素都能进行核聚变,只不过需要超高温和超高压,氢弹所使用的氘和氚之间的聚变就算是最容易的了,但是也需要1400万度的超高温和超高压,所以人类只能用原子弹的超高温和超高压去引爆氢弹,要想掌握可控核聚变技术就必须制造一个稳定的超高温超高压环境,比如说太阳核心的那种环境才行。



题主所说的氮弹,氮要想发生聚变反应需要的温度是7.8亿度,这种变态的高温人类现在达到也绝非易事,更“亏”的是氮弹爆炸后的能量释放只有氢弹的1/860,也就是说同样质量的氢弹爆炸后的威力要比氮弹大860倍,而且只需要1400万度的高温就能触发。


这样看来人类不制造氮弹的理由就很充足了,就是制造难度大而且威力小


宇宙探索未解之迷


人类目前成功制造出了氢弹。

氢弹的原理是:利用氕和氚两种氢的同位素,在炽热高温下,可以发生热核反应。热核反应需要的高温,由氢弹内含的相当于原子弹的那部分先引爆,由裂变产生高温,引发了热核反应。热核反应过程中,一个氕核和一个氚核,生成了一个氦核。由于反应过程中有质量亏损,相应有巨大的能量释放。

那么为什么不造《氮弹》呢?

如果要造《氮弹》,就必须使用N2。二个N2合成,根据反应的生成物是N4。而N4是N2的同素异性体,呈原子状态。所以没有质量亏損。放不出能量来。也就是说造不出氮弹来。


汇雁1


核聚变就是原子核的融合过程,过程中释放巨大的能量。如何才能让原子核发生融合反应呢?就得需要高温与高压,这样原子核外电子分离,剩下裸露在外的原子核,由于高温与高压,原子核相互间碰撞聚合在一起,形成新的较重的原子核。

氢弹就是核聚变反应,但前提需要裂变带来的高温高压才能进行之后的核聚变,并且,氢弹在爆炸时,核聚变也只进行了有限的时间,之后温度与压力就降了下来了,聚变反应停止。

越重的原子核间聚变反应所需的条件就越高,比如氦聚变,它所需要的条件就比氢聚变高得多了,一般来说,氢聚变需要1500万摄氏度的温度,那氦聚变就得需要上亿摄氏度。

恒星之所以能一直进行到聚变产物是铁而不再进行,是因为恒星拥有巨大的质量,由于重力收缩而带来巨大的压力与高温,因此可以完成氢聚变及以后的重核聚变,但只能到铁。

如今的氢弹引爆尚且需要原子弹的裂变反应带来高温高压条件,想要制造重核聚变反应的炸弹,根本不可能,技术条件还严重不达标。


分享到:


相關文章: