核裂变为什么能释放出巨大的能量,一分钟读懂核聚变和核裂变反应能量来源

有关核聚变和核裂变反应,相信大家都不陌生,简单地讲就是,核聚变就是指我们把一堆轻原子用力“捏”在一起,让它们变成更重的原子,而核裂变就是指我们用力将重原子“掰开”,让它分裂成较轻的原子。在我们的印象中,通过以上两种核反应方式都可以获得巨大的能量,于是就有人提出了一个有趣的问题:核聚变和核裂变都可以获得能量,能否根据这个原理造出永动机?


不得不说这是一个好想法,理论上来讲,所有的元素都是可以进行核聚变或者核裂变的,那么在可以随意操控核反应的前提下,我们先让一堆轻原子不停地聚变,并从中获取能量,等到这些轻原子聚变成重原子了,我们再让重原子裂变,然后又从中获取能量……如此反复,岂不是就是传说中的永动机了?

然而想法虽然是好的,但是我们却似乎忽略了一个问题,那就是核聚变和核裂变反应所产生的能量,到底是从哪里来的?


我们将组成原子核的质子、中子、反质子、反中子统称为“核子”,很显然,一个原子核拥有的核子数越多,它的质量就越大。需要指出的是,原子核的质量并不与其核子数成正比,研究表明,不同元素的原子核,其核子的平均质量都是不一样的,如下图所示(图中横轴为原子序数,纵轴为核子的平均质量)。


从上图中我们可以看到,在各种元素中,铁元素(Fe)的原子核的平均核子质量是最轻的,这就意味着原子序数低于铁元素的原子核,在聚变成更重的原子核的时候,是会损失质量的,相应的,原子序数高于铁元素的原子核,在裂变成更轻的原子核的时候,也是会损失质量的。

早在100多年前,伟大的物理学家爱因斯坦就已经指出,质量和能量是物质的不同属性,而且在它们之间还存在着明确的当量关系,并给出了著名的质能方程式(E = MC^2 )。因此就可以得出一个结论,即:核聚变和核裂变反应所产生的能量,其实就来自于核反应中的质量亏损。


有了以上的认识,我们就可以清楚地看到,即使我们可以精准地操控物质的核反应,不停地让比铁轻的元素发生核聚变,又不停地让比铁重的元素发生核裂变,也不可能得到永恒的能量,这是因为物质的质量会不断地减少。

除此之外,在这个过程中,还会不可避免地出现铁元素,而由于铁元素的平均核子质量是最轻的,不管是让它发生核裂变还是核聚变,都需要输入额外的能量,因此我们是不可能通过这类核反应的方式在铁元素上获得能量的。

话又说回来,在宇宙所有的物质中,氢和氦这两种轻元素的质量就占了差不多98%,如果有一天我们人类真的可以随意操控核反应(哪怕是最简单的氢核聚变反应),那么我们也可以得到多得难以想象的能量,从而让我们的文明等级得到迅速地提升。


正因为如此,全世界的人们都对可控核聚变充满了希望,并为此投入大量的人力、物力,致力于攀登这座人类科技的巅峰。值得一提的是,在可控核聚变的领域,我们中国在世界上是处于领先地位的,我国新一代可控核聚变研究装置——“中国环流器二号M”(HL-2M 托卡马克)将在2020年投入相关实验的运行,据悉该装置采用了非常先进的结构和控制方式,将有望产生超过2亿摄氏度的温度(太阳核心的温度约为1500万摄氏度)。


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