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核内巨大的能量来自哪里?

已有 707 次阅读 2022-9-26 18:16 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

    能量、一般能量与核能量

                                                   晏成和 

能量是现代科学的重要概念、得以广泛的运用,充斥在当今全部科学理论、日常言论中。可是,费曼却说到“在今天的物理学中,我们不知道能量究竟是什么?”。大师的天问半个世纪的今天还在回响,然而这“不知所云”的能量仍然广为传播、应用,成为当今社会最常用的词。诡异的能量,看不见摸不着,但又无所不在。

在中学,我们就学习了各种形式的能量——宏观的动能、势能;微观的热能光能、电能、化学能、太阳能;学习了能量的转换、能量守恒。可是,能量究竟是什么,能量为什么会守恒、能量是怎样转换?一直是困惑科学界的自然之谜;能量是广泛应用却不知本质的基本概念; 探讨能量是时代的科学重任。 

【动能与势能】

要探讨能量, 我们首先从看得见、方便测量的宏观能量——动能、势能,然后由表及里,讨论微观的电能、化学能、太阳能……

飞驰的火车具有动能、瀑布上游的水携带有势能。游乐场上的过山车是势能、动能转换的绝佳体现:首先是把过山车提升到最高-充备了势能,势能蓄势待发、具备了将要运动所蕴含的能量和方向;下降运动中,势能转换成动能-速度越来越快,依靠这个速度能够冲上高坡,动能转换成势能……由此我们定义:动能是物体(物质)运动中所携带的能量;势能则是物体将要运动所蕴含的方向和能量;二者在运动中相互转换。

宏观的能量告诉我们:能量与物体的运动及运动趋势密切相关(能量=质量+运动或趋势)。能量首先要有物体(质量);其次是物质的运动、或者是物体在场作用下的运动趋势。我们也常常感受到:微观能量,电能、化学能(汽油)、太阳能(发电)能够开动汽车,形成动能;同时微观能量能够抽水到高处,形成势能。

思考:微观物质具备能量时,是不是存在(能量=质量+运动或趋势)关系?首先是有质量的物质(粒子)、然后是该物质的运动。可是物质整体(晶体、原子、分子)并没有运动。那么,微观能量必然是存在于物质中那些最活跃、最显著运动的部分-核外电子的运动之中,探讨微观能量必定是紧扣电子的运动,无视电子的运动去探讨微观能量必定是缘木求鱼。 

介于宏观与微观之间,最明显的能量是电能。 

【电能】

电能来自:电流——导体内电子的(宏观)运动;

电压——电动势、确立了电子将要运动的方向。

在电压作用下,电子运动形成电流、形成了电能。

很明显,电子的宏观运动(电流)成就了电能,电子的宏观运动是电能的载体。

那么,电子的微观运动(绕原子核运转),也应该携带能量。(合理的猜想) 

【热能】

电能可以与热能、化学能、光能等相互转化,这各种微观能量也应该与电子运动相关。

可是百年来人们没有找到热与核外电子运动的关系,这也造成了微观能量探索的困难。

之前文章,谈到《热是什么?》谈到在火光中发现:物质温度高时核外电子速率高、跃迁发出高频光波;反之,温度降低时电子速率下降、跃迁发出光波的频率随之下降。[1]

核外电子的运动速率随温度有规律地变化,物质吸热温度高——核外电子速率升高。

热能就是核外电子运转的速率所具备的能量,于是热能与核外电子运转的动能有了关联。

【光能】

光能很特殊,没有质量、只是一种振动、传播速率一致。但是其能量与频率、振幅相关。

只有光能不符合(能量=质量+运动或趋势),造成了探索者的困难。

然而:物质温度高了会发光-热发光。(实验事实,烛光、白炽灯、阳光)

光能来源于运动,热发光-是高速运转核外电子跃迁所辐射的电磁波。

光是一种能量,例如:太阳能。阳光可以发电-光伏电池,可以转换成电能。

晒太阳可以感觉到热;石头、地面、水都可以晒热—光可以加速核外电子速率。

微波炉可以加热水、食物。微波是特定频率的电磁波。

一定频率的光可以使某些物质转换成热能。

一定频率的光可以加速某些物质的核外电子的速率(发热);

一定频率的电磁波可以进入金属,形成导线内的电压波,并且牵动电子形成电流-电能。

(一定频率的)电磁波就是光能。 

【化学能、生物能】

在《人为什么要呼吸?》中说到,氧气等物质核外电子速率很高,蕴含较高的化学能,[2]所以氧气与核外电子速率很高的氢气结合燃烧,释放出能量,形成了电子速率较低的水。

化学能就是物质内具有较高速率的核外电子的动能。

亿万年来,太阳的辐射(光能)加速了地球上的核外电子,通过光合作用,形成了核外电子速率较高的碳氢化合物——植物、动物(生物能)、还有氧气。亿万年后形成了煤炭、石油,这些物质的核外电子速率仍然很高(富含化学能)。今天,我们开采了这些碳氢化合物,利用它们核外电子的部分速率,与氧化合、燃烧,推动了汽车、火箭。由光能-化学能-热能-机械能-动能、势能,自然的法则就是这么和谐简单。

 

【核能】

核能具有强大的威力,能够发热、发光、发电;原子弹爆炸,巨大的能量来自哪里?

核能来自于原子核内的核衰变、核裂变、核聚变。核能量是来自于“变”么?不对!变,是核能量迸发的过程。其实能量本质仍然是有质量物质的运动(能量=质量+运动或趋势),核内能量仍然是储存于有质量粒子的运动之中。我们注意到,核能量特别巨大,这与核内运转着的微结构的质量巨大直接相关。

 动能公式:E=1/2mv2   。m:质量    v:运动速度(运转速率)

动能与速率的平方成正比、与运动体的质量成正比。这是个普适公式,适用于所有运动体的能量,当然适用于核内。

【核内结构】

在以上能量讨论中,运动着的都是质量很小的核外电子,所以能量不是很大;原子核虽然很小,但是所发出的核能却是特别巨大,这是因为核内运动着的是以质子为主体核内微结构。在核内外关联结构文章中[3],我们探讨了:核内质子首先是与电子结合,构成氦核、核元、中子,三种核内微结构(图一)。

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                                 图一   核内的微结构

核内质子是以微结构存在着,构成以氦核为主体的1/4/9…壳层运转结构,少量的核元、中子运动在次外层的氦核间隙之中(图二右)。所以核裂变一般是重核元素的外几层氦核的分离重组。图中氖原子核是示意图,实际上周围的四个氦核是呈空间四面体分布。

image.png

                     图二  原子核结构

核内氦核的运转牵动核外电子相应运转、所以微结构运转速率肯定是等于或高于核外电子(速率:运转次数/每秒),但是半径较小。微结构是以氦核为主体,一个氦核由2个电子包围4个质子、一个质子的质量是电子的1836倍,简略的算下来,核内一个氦核的动能接近一个核外电子的一万倍,一个铀235的原子核微结构蕴含的能量是其核外电子运动能量的20万倍,这个简略计算与核爆炸实际与TNT炸药当量接近。

【核裂变】

原子弹爆炸是铀核裂变:一个铀236分裂成一个钡和一个氪,其核反应式如下:

铀235+中子——  钡 + 氪 +几个中子

原子序数:  92 = 56 + 36        (铀原子序数92,原子量236) 

原子量:   236 = 137.3+83.8 +14.9(几个中子、或不知去向)

核裂变如此巨大的能量来自哪里?裂变之后有少数质子(质量)不知去向。爱因斯坦拿出E=MC2公式-质量变成了能量,两个问题似乎都有了答案,学界只能顶礼膜拜,也不再追问其中变成的物理细节。

铀核裂变过程是:中子进入U235,进入位于较外层核元、使核元连续解体,造成铀核外几层的运动混乱,部分外层氦核脱离铀核、按1/4/9规则重组。36个氦核构成了氪,达到稳定;铀核原来56个氦核保留,形成了钡,核裂变完成。

能量变化是:铀外层氦核在从铀到氪的重组过程中降低速率、释放能量。此外,还有核元、中子解体时释放的能量:β、γ射线。所以,原子核内蕴含的巨大能量是实实在在的物理存在,不是质能方程中诡异的变幻。在核裂变中,释放了部分的核内能量,已经是核外电子的运转、燃烧、爆炸能量所不可比拟的。核内的壳层运动分析已经找到了核内蕴藏的巨大能量,这就是合情合理的核内能量的来源,就不需要为质能如何变化绞尽脑汁。

上述原子量方程中,少量质子质量丢失,质子到哪里去了呢?

百年前人类刚发现放射性α射线,卢瑟福发现:当α射线-氦核粒子打到空气时,探测器上出现了氢离子的迹象,他认为这个氢离子的来源应该是氮气(因为空气中以氮气为主)。于是他把α粒子入射到纯的氮气里,结果产生氢离子的变得更多了。在报告里,卢瑟福解释这个结果时说,这是氮气里一个质子被α粒子打了出来,吸纳了附近的电子形成了氢气。

那么,裂变中失去的质子(质量)应该是吸纳了附近的电子形成了氢离子。我们应该重启这个实验,现代的吴健雄一定能找到裂变时质量的去向。物理的问题用物理来解,炫耀百年的质能方程将会请下神坛。

中子和核元的结构不稳定,比较容易解体,容易形成核衰变,形成衰变能量释放。中子最不稳定、造成的核衰变迅速、半衰期很短;核元在核内逐步形成不稳定运转,所以发生半衰期的时期有很长。半衰期是能量缓慢释放,理想状态的衰变是可以做成千年电池,可是核元解体时候有γ射线辐射,这是对人体有伤害的射线。

【核聚变】

核聚变,能量巨大;氢弹爆炸、震惊世界。核聚变又称核融合反应、聚变反应或热核反应。核聚变的核,是指原子量很小的原子核,主要是指重氢元素氘或氚在极高的温度、压力之下,让核外电子脱位,使得两个原子核互相吸引重组, 发生原子核的聚合,生成新的质量更重、能量较低的原子核-氦核、氦气。(图三) 

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     图三  氘、氚核聚变示意图  (图片来自百度,在此致谢)

图中,红球;质子,蓝色球:中子。实际上,氘核是一个电子环绕两个质子运转;氚核是两个电子环绕三个质子。每个原子都只有一个核外电子,两个原子构成分子。

核聚变产生的能量比核裂变还要大10倍左右,上图很明显,每一个质子都改变速率,辐射能量直接参入聚变;每一个质子(球)都有交代,完全没有质量损失,质能公式在此无言。或者有人强词夺理、说生成物中有中子,是中子的质量变成了能量!中子的寿命确实很短,但是不会消失,在核聚变中,中子与中子相遇,可以结合成核元(相当于一个氘)进一步参入聚变反应,使核聚变能够连续进行。

所以核聚变巨大的能量来自哪里?答案仍然是(能量=质量+运动)。在核聚变原材料氘、氚中,比电子质量大1836倍的质子在高速运转,这就是(质量+运动)。聚合反应之后,形成了速率相对低的氦核(类比于氢气和氧气反应后形成水)。因为核聚变原材料质量巨大、速率巨大,释放能量巨大合情合理。

上面说到,核裂变材料铀虽然质量巨大,但是在裂变中只是分裂成了两个新的原子、只有部分氦核重组,只有少量质子逸出,大部分的(质量+运动)得以保留。而核聚变中,是高速率的质子全部参入反应重组,所以核聚变辐射的能量巨大是有理有据的,完全没有什么质能变化。

                                     2022/9/22

参考资料:

[1] 晏成和,科学网博客《热是什么?》

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=73066&do=blog&id=1194626

[2] 晏成和,科学网博客《物质是怎样构成的?》

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1094685.html

[3] 晏成和,科学网博客  《原子核内、外的关联结构》

    https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1348226.html







https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1356939.html

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