網友問:核聚變與核裂變都會釋放能量,這種能量來自於哪裡?
探索
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核聚變與核裂變釋放的能量,來自於原子核的質量虧損,滿足質能方程E=mc^2。
原子由原子核與核外電子組成,原子核又由質子和中子組成,把中子和質子結合起來的力量,是四大相互作用力中的強力,不過強力只在微觀尺度生效。
在相對論中,質量和能量是高度統一的,有能量變化就伴隨著相應的質量虧損;比如自由質子的相對原子質量為1.007,自由中子的相對原子質量為1.0084。
但是由兩個中子和兩個質子組成的氦-4,相對原子質量為4.0026,並不等於兩個質子質量加兩個中子質量,這是因為質子和中子在結合成氦-4原子的過程中,會發生質量虧損,然後釋放能量E=mc^2。
同樣,氦原子繼續聚變,生成的氧原子(相對原子質量15.9990)和碳原子(相對原子質量12.0096),也會發生一定的質量虧損,並釋放能量。
直到聚變到鐵元素為止,平均核子質量都是降低的;而高於鐵元素的原子,平均核子質量將逐漸增加,所以鐵元素繼續聚變為重元素,將會吸收大量能量;反之,鐵元素以上的原子發生裂變,就會釋放大量能量。
我們可以看到,一種元素在核反應中,是釋放能量還是吸收能量,完全取決於聚變前後的平均核子質量(質子和中子統稱為核子),然後能量變化滿足質能方程。
只是在不同元素的核反應中,所需要的聚變條件各不相同,比如在大質量恆星內部發生的聚變反應,就取決於恆星內部的溫度。
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