物体的动能和原子弹爆炸释放能量的比较

■中国农业大学 金仲辉（教授）

物体的动能和原子弹爆炸释放能量的比较

■中国农业大学 金仲辉（教授）

问题:质量为10g的物体,如果以等于光速的的速度运动,它的能量将接近原子弹爆炸所释放的能量,这可能吗?

分析:只要分别计算出上述两种能量的大小,进行比较,就可以回答这个问题了。

解答:当质量为10g的物体以等于光速的的速度运动时,其动能Ek=1.8×1013J。

由原子核物理学知识可知,一个质量数较大的原子核在一定条件下可以发生裂变,例如235092U(U表示铀元素;U的上角标235表示铀核的质量数,即质子和中子数之和;U的下角标92表示铀核的电荷数,即质子数)在一个中子)的撞击下分裂成两个质量数较小的原子核和,同时释放3个中子和200MeV的能量,用核反应式表示上述过程

一个铀235核发生裂变虽然释放的能量为200MeV,但是实际上可利用的能量约为185MeV。185MeV=185×106×1.60×10-19J≈3.0×10-11J。

因为一个质子或中子的质量约为1.67×10-27kg,所以一个铀235核的质量为235×1.67×10-27kg=3.92×10-25kg。因此一个铀235核的质量为3.92×10-25kg,它裂变时释放的可用能量为3.0×10-11J。据此进一步可计算出质量为1g的铀235核可释放的能量为7.65×1010J,于是质量为1kg的铀235核裂变时可释放的能量为7.65×1013J。在一定的条件下,原子弹内的核燃料的质量为几千克,因此原子弹爆炸所释放的能量的数量级为1013～1014。

注意:核裂变反应遵循质量守恒定律和电荷守恒定律。

拓展:原子弹若想实现成功爆炸还需使弹内核燃料的质量超过一定的数值(称为临界质量)。在制造原子弹时,将两块小于临界质量的核燃料分别放在弹内的两个半球内,如图1所示,然后靠化学炸药爆炸的冲击波将两块核燃料合并在一起,使它们大于临界质量,并适时将弹内的中子源触发,使核裂变反应持续不断发生下去,从而释放出巨大的能量。临界质量的大小与裂变核材料的种类、结构密度、几何形状,以及弹内有无中子反射层等有关。由于临界质量的限制,原子弹的爆炸力有一定的上限。比原子弹爆炸力大得多的是氢弹,氢弹是在轻核聚变的原理上制成的。

图1

科普:(1)核裂变现象于1938年底被德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现,奥地利物理学家弗里施借鉴细胞分裂的生物学名称首先引入核裂变(nuclearfission)一词;(2)1945年8月6日和8月9日美军分别投到日本广岛和长崎的原子弹是铀弹和钚弹;(3)原子弹爆炸的核裂变反应是无法控制的,而核电站内的核反应堆属可控的核裂变反应;(4)我国规定1kg标准煤的热值为7×106cal,即2.9×107J。因此质量为1g的铀235核裂变释放的能量相当于2.6t标准煤燃烧所产生的能量。

(责任编辑 张 巧)