物體的動能和原子彈爆炸釋放能量的比較

■中國農業大學 金仲輝（教授）

物體的動能和原子彈爆炸釋放能量的比較

■中國農業大學 金仲輝（教授）

問題:質量為10g的物體,如果以等于光速的的速度運動,它的能量將接近原子彈爆炸所釋放的能量,這可能嗎?

分析:只要分別計算出上述兩種能量的大小,進行比較,就可以回答這個問題了。

解答:當質量為10g的物體以等于光速的的速度運動時,其動能Ek=1.8×1013J。

由原子核物理學知識可知,一個質量數較大的原子核在一定條件下可以發生裂變,例如235092U(U表示鈾元素;U的上角標235表示鈾核的質量數,即質子和中子數之和;U的下角標92表示鈾核的電荷數,即質子數)在一個中子)的撞擊下分裂成兩個質量數較小的原子核和,同時釋放3個中子和200MeV的能量,用核反應式表示上述過程

一個鈾235核發生裂變雖然釋放的能量為200MeV,但是實際上可利用的能量約為185MeV。185MeV=185×106×1.60×10-19J≈3.0×10-11J。

因為一個質子或中子的質量約為1.67×10-27kg,所以一個鈾235核的質量為235×1.67×10-27kg=3.92×10-25kg。因此一個鈾235核的質量為3.92×10-25kg,它裂變時釋放的可用能量為3.0×10-11J。據此進一步可計算出質量為1g的鈾235核可釋放的能量為7.65×1010J,于是質量為1kg的鈾235核裂變時可釋放的能量為7.65×1013J。在一定的條件下,原子彈內的核燃料的質量為幾千克,因此原子彈爆炸所釋放的能量的數量級為1013～1014。

注意:核裂變反應遵循質量守恒定律和電荷守恒定律。

拓展:原子彈若想實現成功爆炸還需使彈內核燃料的質量超過一定的數值(稱為臨界質量)。在制造原子彈時,將兩塊小于臨界質量的核燃料分別放在彈內的兩個半球內,如圖1所示,然后靠化學炸藥爆炸的沖擊波將兩塊核燃料合并在一起,使它們大于臨界質量,并適時將彈內的中子源觸發,使核裂變反應持續不斷發生下去,從而釋放出巨大的能量。臨界質量的大小與裂變核材料的種類、結構密度、幾何形狀,以及彈內有無中子反射層等有關。由于臨界質量的限制,原子彈的爆炸力有一定的上限。比原子彈爆炸力大得多的是氫彈,氫彈是在輕核聚變的原理上制成的。

圖1

科普:(1)核裂變現象于1938年底被德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實驗中發現,奧地利物理學家弗里施借鑒細胞分裂的生物學名稱首先引入核裂變(nuclearfission)一詞;(2)1945年8月6日和8月9日美軍分別投到日本廣島和長崎的原子彈是鈾彈和钚彈;(3)原子彈爆炸的核裂變反應是無法控制的,而核電站內的核反應堆屬可控的核裂變反應;(4)我國規定1kg標準煤的熱值為7×106cal,即2.9×107J。因此質量為1g的鈾235核裂變釋放的能量相當于2.6t標準煤燃燒所產生的能量。

(責任編輯 張 巧)