原子及原子核
世界上的一切物质都是由带正电的
原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。原子核包括质子和中子,
质子数决定了该原子属于何种元素,原子的质量数等于质子数和中子数之和。如一个铀-235原子是由原子核(由92个质子和143个中子组成)和92个电子构成的。如果把原子看作是我们生活的地球,那么原子核就相当于一个
乒乓球的大小。虽然原子核的体积很小,但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。
同位素
质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而
原子质量数不同的一些原子被称为同位素,它们在
化学元素周期表上占据同一个位置。简单的说同位素就是指某个元素的各种原子,它们具有相同的化学性质。按质量不同通常可以分为重同位素和
轻同位素。
铀的同位素
铀是
自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235,它们所占的比例分别为99.3%和0.7%。除此之外,自然界中还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。
核能及其获取途径
核能,是核裂变能的简称。50多年以前,科学家在的一次试验中发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂,在放出2—3个中子的同时伴随着一种巨大的能量,这种能量比
化学反应所释放的能量大的多,这就是我们今天所说的核能。核能的获得途径主要有两种,即重核裂变与
轻核聚变。核聚变要比核裂变释放出更多的能量。例如相同数量的氘和铀-235分别进行聚变和裂变,前者所释放的能量约为后者的三倍多。被人们所熟悉的原子弹、核电站、核反应堆等等都利用了核裂变的
原理。只是实现核聚变的条件要求的较高,即需要使氢核处于6000度以上的高温才能使相当的核具有
动能实现聚合反应。
重核裂变
重核裂变是指一个重原子核,分裂成两个或多个中等原子量的原子核,引起链式反应,从而释放出巨大的能量。例如,当用一个中子轰击U-235的原子核时,它就会分裂成两个质量较小的原子核,同时产生2—3个中子和β、γ等
射线,并释放出约200兆电子伏特的能量。 如果再有一个新产生的中子去轰击另一个铀-235原子核,便引起新的裂变,以此类推,裂变反应不断地持续下去,从而形成了
裂变链式反应,与此同时,核能也连续不断地释放出来。
轻核聚变
所谓轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程,也称
热核反应。它是取得核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力,因此在一般的温度和压力下,很难发生聚变反应。而在太阳等
恒星内部,压力和温度都极高,所以就使得轻核有了足够的动能克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温度下进行,故称为"热核聚变反应"。
氢弹是利用氘、氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量这一原理制成的,但它释放能量有着不可控性,所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。目前正在研制的"受控热核聚变反应装置"也是应用了轻核聚变原理,由于这种热核反应是人工控制的,因此可用作能源。