1克核反應物產生的能量多大（前方核能1g核反應物）
2023-05-22 14:08:12 1
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莫慌，這次是真核能！
都21世紀了，就別再談核色變啦；
不如，
用核能來燉個牛肉唄。
一部核能史，串出一部近代物理學史NO IMAGINATION
核能（Nuclear Energy）又稱原子能，是利用原子核發生變化釋放的能量。核能是人類歷史上的一項偉大的發現。縱觀核能的發展史，我們可以看到整個近代物理學史。
1895年，謹慎的德國物理學家倫琴（Wilhelm Röntgen，1845-1923）憑著發現新事物的眼睛和不懈鑽研的精神，發現了X射線。
一張帶著戒指的X光手片，打開了胸片、牙片、安檢儀、探傷儀等等應用的大門，成為一把為我們的健康、安全以及生產生活的方方面面保駕護航的「光劍」。
（來源：百度圖庫）
1896年，出生於法國一個科學氛圍濃厚家庭的貝克勒爾（Antoine Henri Becquerel，1852－1908）也是由於一場意外而發現了鈾的天然放射性。
兩年後，居裡夫人在研究鈾射線的存在時，在銅鈾雲母中又發現了一種比鈾的放射性強百倍的元素——釙。幾年之後，居裡夫人又發現了另一种放射性元素--鐳。因為發現天然放射性，貝克勒爾與居裡夫婦共同獲得了1903年度諾貝爾物理學獎。
隨著越來越多的放射性元素被發現，人們又開始思索：這些物質輻射出多少能量？能否與物質的質量聯繫起來呢？
（來源：pic.bqatj.com）
這個問題兜兜轉轉，來到了永遠不可能避開的天才愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）面前了。在「愛因斯坦奇蹟年（1905年）的《奇蹟年論文》」中，他把以輻射形式發射的能量和物質的靜止質量聯繫起來，得到了著名的質能方程：
時間輾轉，來到了1914年。在英國曼徹斯特大學工作的物理學家盧瑟福（Ernest Rutherford，1871－1937）通過α粒子轟擊氮核，首次發現了質子，並測定了它的電荷與質量。這一歷史性的事件，揭開了原子核結構神秘面紗的一角。
前方核能預警NO IMAGINATION
相關研究在緊鑼密鼓的進行著，直到1935年，英國物理學家查得威克發現了中子；1938年，德國科學家奧託·哈恩用中子轟擊鈾原子核，發現了核裂變現象。似乎，原子能世界的大門，如大爆炸一般的打開了。
（來源：3g.xici.net）
目前，人類獲取核能的方式主要有兩種：重核裂變和輕核聚變。核反應釋放能量的多少則遵循愛因斯坦的質能方程式。
簡單來講，核裂變就是利用帶有一定能量的中子轟擊較重的原子核，本身就不怎麼「踏實穩重」的重核就會分裂成兩個或多個質量較小的原子核，同時還能放出中子和一定的能量。
顧名思義，核聚變就是讓兩個比較輕且速度超高的原子核相撞然後發生聚合，變成一個較重原子核並放出能量的過程。你問這裡為什麼要用輕核？因為輕核「老實」啊，重核閒著時都可能「分裂」（衰變），還指望它們能合成一個更重的核嗎？
（裂變和聚變，來源：知乎）
核能就是那麼一枝獨秀，核能是少有的不依賴於太陽的能源來源。就拿最常見的氘氚二核的聚變舉例。在地球上，海水中氘的含量為十萬分之三，即1升海水中含有0.03克氘，所以海水裡大約有40萬億噸的氘。雖然與氫、氘相比，氚在自然界中少得可憐，但可以採用中子轟擊鋰製備氚；當然，也貴的要死。
這麼來看，利用氘聚變產生的能量支撐人類活上幾億年都不成問題。
什麼？不信嗎？質疑這些小小的原子，能產生多大的能量？
那我們一起開算吧。
（核聚變，來源：百度百科）
首先，先看核聚變。目前所用的氘核聚變，主要應用氘氚二核的聚變反應，如以下公式所示：
則一個氚核和一個氘核聚變，會生成一個氦核和一個中子，同時放出約17.58MeV的能量。
一個氘核的質量約為2.014u，一個氚核的質量約為3.018u，1u約為1.66e-24g。那麼1g氘核：氚核反應物中大約各有1.2e23個氘核及氚核。則對1g氚和氘，則能夠釋放出1.2e23·17.58MeV約為2.1e24MeV的能量。
關於能量的單位，"MeV"和"J"之間滿足以下換算關係：
可以得到，1g氘和氚完全聚變大約能釋放出3.36e11J能量。
再讓我們看看核裂變，也拿可能你萌大概率聽說過的鈾235舉例。鈾235主要採用中子轟擊誘發裂變反應，如圖所示，隨著入射中子的能量不同，裂變子核也不同；但隨著中子能量增加，裂變子核質量數趨向於對稱。
（U235的熱中子誘發裂變，來源：知乎）
假設鈾235裂變產物為鍶和氙，反應方程如下：
同時，鈾235裂變還會產生幾個中子，以及差不多200MeV的能量。一個鈾235的質量約為235u，那麼1g鈾235中大約有2.56e21個核子。則對於1g鈾235，則能夠釋放出2.56e21·200MeV約為5.12e23MeV的能量，大約為8.19e10J。
（U235的裂變，來源：SME-Talk）
我們可以查到，1kg標準煤燃燒所釋放的熱量為2.93e7J，也就是說2.8噸標準煤燃燒所釋放的熱量量才等於一克鈾235完全裂變所釋放的能量。
如果把對比物換成木柴就更令人咋舌了，需要將近7噸的木柴完全燃燒才能夠等同於一克鈾235完全裂變所釋放的能量！
如果核能···燉牛肉NO IMAGINATION
這不是牛年了嗎，相寧有個不成熟的小想法——如果用氘核聚變產生的能量燉牛肉，能做熟多少牛肉呢？
(牛肉火鍋，來源：k.sina.com.cn）
首先，我們需要知道一些常數。我們選取處於凍點以上的25攝氏度室溫、含水量70%以上的新鮮牛肉的比熱容約為：
為了健康和安全著想，無論是吃火鍋涮肉、還是牛排燒烤，我們都要吃全熟的牛肉哦。此時的牛肉，被加熱到100攝氏度。
則，將1Kg牛肉從25攝氏度室溫加熱到100攝氏度，需要的能量為：
下面，我們要做幾個理想情況的假設——
1，假設原子核100%反應；
2，假設核能轉化為熱能時不產生其他能量散失，轉化效率也是100%；
3，假設採用核能加熱牛肉時，「火候」能量均勻、時間把控精準，牛肉各部位薄厚均勻，且均同時達到一定溫度；
4，考慮到如果是燉牛肉，需要先加熱水和鍋；如果是烤牛肉，還要在漆黑的夜晚溫暖周圍的空氣。因此假設能量損耗能達到30%；
5，同時，不考慮比如製備氚的能量消耗、產生裂變中子的能量消耗以及其他各種惱人的核反應條件。
下面，就是揭曉答案的時刻————
1g氘和氚能燉熟多少牛肉呢？
1g鈾又能燉熟多少牛肉呢？
這樣看來，1g核反應物產生的核能能燉上千噸牛肉。
所以，核能燉牛肉，必然真香！
而且，核聚變產物更加清潔，燉出的牛肉也會幹淨純香！十裡飄香！
寫在最後的話——邊學邊玩，開心為主。
如有雷同，純屬巧合。如有疏忽，不吝賜教。
祝大家2021年實現火鍋自由、烤串自由、牛排自由！
參考文獻：
[1]百度百科：核能.[2]百度百科：核裂變.[3]百度百科：核聚變.[4]https://www.zhihu.com/question/314325813/answer/614484289.[5]常用食品比熱.http://www.doc88.com/p-9793337092035.html.[6]李會超.「核能」的威力[J].百科探秘(航空航天),2021(Z1):62-67.[7]張巖峰.核聚變[J].中國科技術語,2020,22(06):112.[8]王建強,戴志敏,徐洪傑.核能綜合利用研究現狀與展望[J].中國科學院院刊,2019,34(04):460-468.[9]俞微微.計算豬肉、牛肉和鱈魚的熱物理性質的經驗公式[J].大連水產學院學報,2000(01):50-54.
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本文轉自「中科院半導體所」
作者：顏相寧
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