知识产权价值的能量裂变

核裂变和核聚变释放的能量被铁-56除,铁-56的比平均结合能最低,是所有原子核中最稳定的。

我们知道氢弹的爆炸原理是核聚变,原子弹的爆炸原理是核裂变。核裂变和核聚变似乎是两个相反的过程。为什么两者都能释放大量能量?

原理与原子核的组成有关。原子由原子核和核外电子组成,原子核由质子和中子组成。把质子和中子结合在一起的力叫做强相互作用。强相互作用是四种基本力中最强的,其强度是电磁相互作用的137倍,是引力相互作用的10的39倍。

我们来想象一个过程,两个天体通过引力相互吸引。如果我们想要分离这两个天体,我们需要借助外力使它们彼此远离。这个过程需要输入能量来克服引力势能,所以两个天体距离越远,引力势能越大。

我们可以比较一下原子核中的情况。以氦-4为例,质子和中子通过力结合。如果要完全分离原子核中的质子和中子,需要输入能量,这说明质子和中子在完全分离时,整体能量较高。

反之,质子和中子相互结合时会释放能量,氢聚变成氦就是这种情况。因为强相互作用,强变引起的能量释放也高,强作用力比电磁力强137倍。自然化学反应中的能量变化不能与核反应相比。

所以核聚变可以释放巨大的能量,但是不容易引发核聚变,因为强作用的范围很小,必须克服原子核之间质子的排斥力(电磁力),这样质子之间的距离只有达到强作用的范围后才能结合。更直观的方式是提高原子核的撞击速度和频率,宏观条件是提高温度和压力。

但是随着质子数的增加,我们会遇到一个很大的问题,就是强作用力的范围非常有限,质子之间的电磁力仍然是叠加的,所以随着核子(质子和中子)数的增加,强作用力在减弱,原子核变得不稳定,最后甚至不能形成稳定的原子核,临界线是铁-56。

所以比铁小的原子会通过聚变释放能量,比铁高的原子也会通过裂变释放能量,但是重核中的强相互作用没有轻核中的强,所以裂变释放的能量没有聚变高。

在物理学中,我们使用结合能来表示将不同的原子核分解成质子和中子所需的能量。显然,原子核越多,结合能越高。

真正反映原子核稳定性的是平均结合能,即结合能与核子数的比值。原子核的平均结合能越高,原子核越稳定,平均结合能越低,原子核越容易聚变或裂变。因为质量和能量是等价的,我们也可以用原子核的平均质量来描述。

平均结合能在重力作用下就像一个小球。球越靠近谷底越稳定,到山顶越不稳定。当球从山顶滑到谷底时,在重力的作用下,势能会做功,在原子核中也类似。原子核的平均核质量减小时会释放能量,所以核聚变和核裂变都会释放能量。