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进入原子能时代

2017-11-13 07:46 [课外阅读] 来源于:物理ok网|作者:陈老师|点击量:
导读:“能”可以推动工作;没有能,火不能燃烧,生物难以成长,交通工具无法移动,星辰也不会闪耀.能有许多种类:太阳能温暖了地球,也照亮了地球;机械能使轮子转动;化学能贮存于燃料之中,如木材和煤炭;电能则借着电线传到家家户户,以供利用.能可以从一种形式
进入原子能时代

“能”可以推动工作;没有能,火不能燃烧,生物难以成长,交通工具无法移动,星辰也不会闪耀.能有许多种类:太阳能温暖了地球,也照亮了地球;机械能使轮子转动;化学能贮存于燃料之中,如木材和煤炭;电能则借着电线传到家家户户,以供利用.能可以从一种形式转化成另一种形式,例如,燃烧煤炭时,贮存于煤炭的化学能就转变为热能,而热能可以产生电流,电可以产生热、光、声音或机械能.

随着全世界对于能源的需求量迅速增加,人们正大量地消耗掉各种燃烧资源,包括煤、石油、天然气和木材.于是,科学家们开始寻找新的能源,而他们发现,最令人吃惊且最强有力的能源竟是蕴藏在那些极小的粒子--原子之中.而获得这种能量的方法有两种:核裂变和核聚变.

1905年,爱因斯坦就预言少量的物质可以产生巨大的能量,但在当时,科学家们可说根本不知道用什么方法能将物质转换为能量,达到实用的目的.然而,越来越多的证据表明,在恒星(包括太阳在内)上有大量的能源,它们肯定来自某些种类的核转换.
在20世纪初期,科学家们已经了解,每个原子核中都包含了紧密结合在一起的粒子,称力质子和中子,这些粒子被极其巨大的力量所束缚.渐渐地,物理学家们发现这种力量能够被克服,也就是说,可以用某种方法使原子分裂或聚合,并释放出大量的能.1938年,康乃尔大学物理学家贝蒂,首先提出了核聚变的理论.根据他的理论,在太阳上,极高的温度,连同因巨大的体积而产生的高压促使质子聚合起来,产生聚变.在聚变反应中,4个质子聚变成一个氦核,聚变后的质量略小于4个质子的质量和,减少的质量被转化为太阳的能.第二年,德国化学家哈恩和他的同事史特拉斯曼意外地发现了通过核裂变释放原子能的方法.那时,研究原子的人热衷于创造更重些的新元素,出于此目的,两位科学家用中子去轰击铀的样品,于是奇迹诞生了.铀核经中子轰击发生分裂,产生较轻的元素钡,轰击后混合物的总重量小于分裂前铀的重量,减少的质量呢?变成了能量!

哈恩和史特拉斯曼的理论表明,如果以中子撞击铀原子,那么有些中子就会撞击到铀原子核,使它分裂为二,这就是核分裂,这些分裂的原子核会放出中子和其他粒子,倘若其中有一个中子再撞到另一个原子,又会使这个原于分裂,并放出更多的中子.如果上述方法能够使足量的中子释放出来,则它们便会产生一个连锁反应而释放大量能量.公元1942年,意大利物理学家费米,在美国完成了全世界第一个在控制条件下产生的原子核链式反应.反应结束后,费米的同事用九个英文单词打了一个密码电话,意思是说:“这位意大利人航海家已经登上了新世界.”这里所谓的新世界不是别的,就是原子时代.

原子能的价值首先体现在军事领域.1945年人类历史上第一个具有空前爆炸力的原子装置在美国新墨西哥州的沙漠上空爆炸了.同年,美国先后在日本上空投下两颗原子弹,每颗各摧毁了一个城市.原子弹爆炸是原子核裂变反应的结果.在原子弹中,裂变元素(例如钚)的原子核被中子轰击后,分裂成两个较小的核,同时放出能量并产生两到三个新中子.如果钚足够多,达到物理学家所称的“临界质量”时,这些新中子就能轰裂足够多的其他钚核,引起链式反应--裂变爆炸.原子裂变时会放出巨大能量,几磅铀235释放的能量等于成千上万吨TNT炸药爆炸.原子爆炸时产生的超高温,使得更加可怕的氢弹聚变反应成为可能.

在氢弹中两个核聚合在一起产生热核反应,刚好与裂变相反.氘和氚是两种不同的氢,这两种原子核聚变后,变成一个氦核,放出一个中子,并释放巨大能量.在质量相等时,核聚变反应放出的能量超过宇宙中任何一种反应形式放出的能量.但是这种聚变反应发生的条件是温度必须超过82,000,000℃.

自二战之后,科学家们已经将核能运用在和平的用途上.1954年苏联建成了世界上第1座小型原子能发电站,1956年和1957年,英国和美国也相继建成了核电站.原子能发电的原理是在原子核反应堆中控制核子连锁反应,使它释放出热能,这些热能将水转变为蒸汽,而蒸汽又带动涡轮机的叶片,使它旋转而产生电流.

核电站成本比火电低,正常运转时,环境污染也比火电小得多,对环境的放射性污染微乎其微.一座核电反应堆所产生的电力,足够供应一个城市的需求.目前,世界各地已建立起了4OO多座核电站.在20OO年,核电站的发电量已占全世界发电总量的1/6.

原子能的用途还涉及海洋和空间.航海用的核反应堆虽比核发电站中的反应堆小1OO倍,但实际上它已使船只不必添加燃料,而且反应堆也十分安全可靠.在美国第一艘核潜舱“肛鱼号”服务的25年当中,美国核动力舰艇中所有的反应堆累计的使用时间已有1,70O多年,航程达6,400万千米,没有发生任何事故.

现已证明,比用在潜艇上的反应堆还小的核发电装置在地球的遥远地区和太空中具有重大的价值.放射性同位素衰变放出的热量,可以供火星和月球上测量气象和导航的仪器以及科学站作动力.在阳光难以到达的地方,三台各重38千克的核发电机可供“探险者”飞船在外行星的旅程中使用1O年.

现阶段对原子能的利用主要是通过核分裂实现的,如原子弹和核反应堆发电系统都是利用核分裂的原理制成的.但是,使大体积的铀原子核分裂并不是从原子获得巨大能量的唯一方法,因为使小体积的原子核聚合在一起--核聚变,甚至可释放出更大的能量.1948年,美国的科学家们正是利用核聚变的原理制造出了氢弹.而氢弹的摧毁力是第一颗原子弹的数百倍.

一直以来,各国科学家们都在进行探索,希望把核聚变产生的原子能运用到和平用途上.核聚变反应不仅能释放出超强的能量,而且反应的生成物是稳定的元素,没有放射性污染,可以彻底解决核废料和核泄漏的问题.虽然,目前对核聚变能的实际和平利用还面临许多问题,但相信随着科技的高速发展,第一座核聚变反应堆的完成指日可待.一旦核聚变能被利用起来,我们可以肯定地说,人类将完全摆脱能源危机.
 

(编辑:wuliok.com)

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