1克铀裂变产生的能量,相当多少煤燃烧?为啥有这么大能量?
铀的裂变是物理反应 , 是原子核裂变过程质量损失转化为能量的过程 , 严谨符合爱因斯坦质能方程描述;煤的燃烧属于化学反应 , 是物质在高温下与氧化合后 , 发出光和热的剧烈氧化反应 。
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因此 , 这两种能量既不是一码事 , 也不是一个量级 。
质能方程是爱因斯坦伟大发现之一 , 简单表达式为:E=MC^2 , 这里的E表示能量 , 单位J(焦耳) , M为质量 , 单位kg(千克);C为光速 , 单位m(米) , 取值300000000m/s(秒) 。
铀-235的核裂变过程 , 损失的质量约为0.09% , 也就是1克约有0.9毫克的质量转化为能量 , 这些能量有多大呢?根据质能方程计算:0.001*0.0009*300000000^2=81000000000J 。也就是说 , 这1克铀-235全部发生裂变 , 产生的能量约为810亿焦耳 。
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煤是一种矿物质 , 主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成 , 碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上 。不同地方的煤纯度不一样 , 产生的热量也不一样 。国家为了能够统一计算考察消耗状况 , 将各种煤的热值折算为标准煤统计 , 规定1kg标准煤热值为7000大卡 。
1大卡约为4185.85J , 这样1kg煤就可以产生约29300950J的能量 , 每吨标准煤燃烧后可得到29300950000J的热量 。这样 , 我们就可以得出1克铀-235全部裂变产生的能量 , 约相当于2.76吨标准煤燃烧产生的能量 。
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铀-235裂变质量损失是怎么得到的呢?
铀-235裂变的反应方程式为:235U+1n=137Ba+97Kr+2n 。
这个方程式说明 , 当一个铀-235原子吸收一个低能中子时 , 就会发生裂变 , 生成钡-137和氪-97两个原子 , 并释放出两个中子;这两个中子又分别被两个铀-235原子吸收 , 而发生裂变 , 每个原子又释放出两个中子 , 被4个铀-235原子吸收 。这样迅速连锁地持续下去 , 裂变呈指数级放大 , 就是所谓的“链式反应” 。
这种裂变反应两边得到的质子和中子总数是相等的 , 为什么会发生质量亏损 , 而产生巨大能量呢?这个问题早在1925年 , 就已经得到了答案 。英国科学家阿斯顿在进行磁场偏转实验时 , 就发现了这种质量亏损现象 。他用质谱仪精确测量了氦原子核的质量 , 发现核的总质量不等于构成这个核的质子和中子质量之和 , 其中存在着5.66*10^-26克的质量亏损 。
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进一步研究发现 , 原来这些质量亏损在于核内的结合能 , 就是将质子和中子束缚住的一种物质 , 被称为“结合能” , 这种结合能是占有一定质量比重的 。当原子核被裂解时 , 这种结合能就会作为质量亏损释放出来 。
1938年 , 科学家们实验发现 , 用中子轰击铀原子核会发生裂变 , 但裂变后两部分碎片质量相加时 , 比裂变前的铀核质量和作为“炮弹”的中子质量之和要小 , 1个铀-235原子核裂变后的质量亏损达到3.57*10^-25克 , 这就是由于核裂变过程 , 结合能以质量方式亏损了 。
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1个摩尔原子数约为6.02*10^23个 , 不同原子摩尔质量是不一样的 , 铀-235摩尔质量为235克 , 这样每克铀-235就有原子数量2.56*10^21个 。这样 , 我们可以得出1个铀-235原子重量约为3.9*10-^22克 , 每个原子亏损质量约为3.57*10^-25克 , 简单计算得出质量亏损率就约为0.00091538 , 也就是约0.09% 。
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