原子彈沒發明出來之前,愛因斯坦是如何知道原子核裡面有著巨大神祕的力量的?

萬綠叢中一瓢蟲


這個問題有一定的誤導,核能的是科學家不斷用粒子轟擊原子並結合愛因斯坦方程式發現的,這也是為什麼近代先進國家喜歡造粒子對撞機的原因之一,我們來看一下核裂變的發現過程。

1919年,英國劍橋大學卡文迪什實驗室主任盧瑟福用α粒子轟擊乾燥的氮氣,擊中氮原子核,使氮轉化為氧,並釋放出一個質子,證明了原子核內部有質子,並猜想‘中子’的存在。

1932年,盧瑟福的學生查德威克用α粒子轟擊鈹,再用鈹產生的射線轟擊氫、氮,結果打出了氫核和氮核,證實了‘中子’的存在。

中子發現後,由於中子不帶電荷,很容易接近原子核並被吸收,科學家便開始用中子作為“炮彈”來轟擊各種元素的原子核。

1938年,哈恩和斯特拉斯曼進行了中子撞擊鈾的實驗,首次實現了中子誘發的鈾裂變。

梅特納用數學方法假設鈾裂變的產物就是由鈾原子核的分裂而產生的。但當她把產物元素的原子量相加起來時,發現並不等於鈾的原子量,而是小於鈾的原子量。

說明在核反應過程中,發生了質量虧損。梅特納認為,這個質量虧損的數值正相當於反應所放出的能。根據愛因斯坦的質能關係式,E=mc^2,她推算出了每個鈾原子核裂變時會放出的能量。

她的侄子弗瑞士設計實驗來證實這種設想,他也用中子“炮彈”轟擊鈾,當中子擊中鈾核時,觀察到異常巨大的能量幾乎把測量儀表的指針逼到刻度盤以外。弗瑞士與梅特納於1939年2月在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果,核裂變現象被發現。

而後科學家又發現中子轟擊鈾不僅產生能量,還產生中子,這就為鏈式核裂變提供有利的條件,這也是製造原子彈的基礎。

由以上脈絡的梳理可知,愛因斯坦開始並不知核能這種現象,只是為核裂變現象提供了理論證明依據。



崑崙還東國


愛因斯坦的偉大就是因為他有很多重要的發現,啟迪了人類的認知,其中就包括質能方程:E=mc^2。

這個偉大的方程是愛因斯坦在1905年提出來的,其偉大意義在於讓人類認識了質量和能源之間的密切關係,而且是通過光速這個能量因子來實現質能等價交換。

在此之前,人類只知道物質不滅、質量守恆,愛因斯坦這個方程是從質量守恆推導至能量守恆,是人類認識的一大進步。

大家不要以為愛因斯坦是坐在那裡異想天開就得到了這個方程,而且這個方程這麼簡單。其實愛因斯坦聰明的腦袋裡裝著巨大的理論構架,通過複雜的推導方式,才得出這個最終的精華結論。這個複雜的推導過程要寫一本書,要列出無數的公式,所以就不搬運了。

愛因斯坦質能方程使人類洞悉了物質和能量之間的奧妙,也就是說任何物質只要全部釋放其能量,就能得到巨大驚天的能量。

根據愛因斯坦質能方程,可以計算出每一千克的質量可以轉化為9×10^16焦耳的能量,相當於2100萬噸的TNT爆炸所釋放出的能量。

愛因斯坦質能轉換規律具有宇宙普適性,也就是說不管在哪裡,不管什麼物質,你只要有辦法逼出其全部的能量,就能得到上述的能量釋放。

愛因斯坦質能方程給製造原子彈的顆行星提供了理論依據,原子彈的發明則是愛因斯坦質能方程理論驗證。而原子彈在這個理論出臺後40年才發明出來。

其實原子彈屬於核裂變,在重物質核裂變中,會發生質量虧損,這些虧損的質量就轉化成了能量。核裂變質量虧損0.13%,也就是說參與核裂變1000克質量只有1.3克質量轉化成了能量;而核聚變質量虧損為0.7%,氫彈是核聚變,因此能量轉化率核裂變的5倍多,1000克參與核聚變的質量有7克質量轉化成為能量。

眾所周知,這個能量爆發是迄今為止人類所看到最恐怖的爆發。

別看這0.13%和0.7%的質能轉換率,相比人類幾千年對能源的使用可是一個跨越式的進步。

要知道人類燃燒煤所得到的質能轉換率才僅僅為0.0000028%,也就是說1000克參與燃燒的煤質量只有0.000028克的質量轉化為能量。

現在人類掌握的核聚變還只能做氫彈,是一種一次性爆發的不可控能源。要使這種巨大能量持續不斷釋放,成為可控核聚變,以造福人類,還有一個較長的過程。同時人類還在尋找新的更高效率的能源,迄今發現能夠實現完美質能轉換的能源就是反物質

反物質與正物質碰到一起就會發生湮滅,與此同時會爆發出全部能量。

也即是說1克反物質與1克正物質相撞會產生2克質量的全部能量,一點殘留都沒有。這個能量有多大呢?就是180000000000000J,相當於約43000噸TNT黃色炸藥的能量,約3顆多廣島原子彈的爆炸威力。

反物質的質能轉換率是核聚變的約300倍。

但是,人類世界到處都是充滿著正物質,雖然也會產生反物質,但非常微量,且很難保存。因為所有的反物質一遇到正物質就會湮滅,這些反物質只能約束在極低溫度的磁力陷阱裡。全世界科學家們經過很多年的努力,花費了無數財力和能源,在大型粒子加速器裡製造出了一些反物質,都是原子級極其微量的,全世界所有反物質加起來也燒不開一杯開水。

所以人類要開發更高質能轉換效率的能源路程還很漫長。

這些科學研究都是在愛因斯坦質能轉換的理論框架下進行的,迄今為止沒有一例能夠突破這個框架的反證例子,由此可以證明愛因斯坦的理論非常完美。

愛因斯坦的理論只是讓人類進一步瞭解了這個世界物質的內在規律,使人類對世界的認識有一個重大突破。

在所有的具體科學研究和發明發現中,還需要很多其他的科學理論來支撐,還有很多在基礎科學理論上的技術發現和發明,才能夠使人類文明不斷推向前進。

因此人類的發展是基礎科學和實用技術的結合中前行的,愛因斯坦的理論只是人類前行道路一個階段的重要基石。

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  1. 1905年,是愛因斯坦科研生涯的巔峰時期之一,那年發表的論文中有一個推導過程非常複雜的方程,這個方程本身並不複雜:E=MC²,這個方程將質量和能量聯繫了起來。


  2. 1934年,約里奧居里夫婦用阿爾法粒子轟擊鋁板時,第一次發現放出了中子,得到了人工放射性同位素。從此科學家就用阿爾法粒子對元素週期表中的元素開始了輪流轟擊,從一種元素氫開始。

圖釋:約里奧居里夫婦
  1. 1938年,德國物理學家哈恩和斯特拉斯曼用中子轟擊鈾235時,發現了與之前實驗完全不同的現象,轟擊後鈾就像發生了連鎖反應,又會出現新的中子使更多的鈾原子被轟擊並且放出了能量。當時哈恩不確定發生的這種現象,於是寫信給了他的一位猶太女同事邁特納(邁特納當時已被希特勒驅逐到了希臘),邁特納想來想去認為實驗結果是對的,給這種現象取了一個名字叫——核裂變。

    圖釋:原子彈之母,奧地利核物理學家:莉澤·邁特納

  2. 同年,哈恩將發現中子轟擊鈾裂變的現象發表在《自然》科學上時,恰好美國那時在舉辦理論為例研討會,當時美國的大物理學費米(其實原本是意大利科學家)波爾(非那個乒乓球運動員)等人馬上組織實驗驗證了這一理論,得到了相同的結果。

  3. 那時有的科學家意識到這種反應放出巨大能量的威力,在德國軍隊中任職的物理學家舒曼將此時彙報了希特勒,德國已經著手開始了研究這種新型武器的計劃。

圖釋:奧本海默

以上就是從愛因斯坦發表質能方程到著手研究原子彈的全過程,最終美國在奧本海默的帶領下最先研製出原子彈,奧本海默因此也被稱為美國原子能之父。


核先生科普


原子彈沒發明出來之前,愛因斯坦是如何知道原子核裡面有著巨大神秘的力量的?

看上去確實有點像一個因果關係的話題,但事實上質能方程和原子核裡有巨大的能量並不是各位想像的那種關係,而是愛因斯坦在洛倫茲變換以及兩個基本假設:光速不變和慣性參考系中的物理定律都是相同的前提下推導出了狹義相對論的公式,闡述了質量與能量之間的關係!

狹義相對論是愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》一文中提出的,當時距離1939年9月份著名的科學家玻爾和惠勒二人從理論上闡述了核裂變反應過程還有整整34年時間!那麼早在1905年的愛因斯坦狹義相對論中濃縮的精華質能方程 E=mc^2是如何得來的呢?

上圖為質能方程的推導過程,前面都是速度與質量以及能量之間的關係(Ek=Fds,熟悉不?動能定理而已),過程並不複雜,但涉及積分可能很多朋友就看得雲裡霧裡,或者直接跳到最後部分即可:

箇中真正的含義是能量等於物體運動中的能量減去靜止時的能量,但這個有一個前提,質量是會隨著速度增加而增加的,因此洛侖茲變換中的質增效應公式必須要理解一二!

質增效應曲線,在物體接近光速時候,質量將趨向於無窮大,因此洛侖茲變換是質能方程中的一個重要基礎!

這是高速運動中的動質量,理解了這點之後,E=MC^2自然推導出來了!我們從中可以看到,這個過程與什麼原子核、裂變屁關係都沒有!但1939年玻爾和惠勒闡述的核裂變反應過程也遵循了這個公式,從這一點上你是不是得膜拜下愛老頭?當然你還得崇拜下洛侖茲老爺子!

大神雲集的一張照片,各位是否有話要說?

U235捕獲一箇中子後裂變的過程,當然上圖比較理想化,因為還有一個臨界質量才能讓中子在飛出U235塊前碰撞到下一個原子核而產生鏈式反應!U235的熱中子能量約207MeV,根據質能轉換公式U235原子質量徹底轉換能量後為931.5MeV,裂變的損失約佔207/931.5/235≈0.0946%,另有中微子的能量難以利用,大約有12MeV,因此一般都是200MeV作為核裂變的能量計算值!

還有很多朋友認為原子彈也是愛因斯坦領導製造,其實這完全是誤解,只不過愛因斯坦牽頭向羅斯福寫了封建議研究核裂變武器的信而已!因為納粹德國已經開始研究了,假如美國再不深入此領域的話,一旦被德國率先掌握對世界將絕對是一場災難!當然結果大家也知道了,並且也有很多謠言說明愛因斯坦後悔研究核武器等,其實和他還真只有半毛錢關係,所以他無論做與不做,原子彈這些原子核內的能量武器都會成功,E=MC^2也只是一個理論指導實踐或者實踐領先理論的一事兩面而已!


星辰大海路上的種花家


1905年是愛因斯坦的成就年,其中狹義相對論中重要的成果之一就是質能方程,E=mc^2。他根據普遍成立的能量守恆定律,建立起來質量和能量之間的關係。後來,通過核反應所釋放出的巨大能量,完美驗證了愛因斯坦理論的正確性。

愛因斯坦是通過思考能量守恆定律起步的,例如,對於一杯熱水來講,也是由大量的水分子組成,溫度越高,內部的微觀粒子的運動越劇烈,當然這杯熱水的能量是和它的質量是有關係的。愛因斯坦,在1905年假設物體的質量m和他所含的能量E具有正比關係,其比例係數就是光速c的平方,這就是質能關係方程E=mc^2,當然這只是忽略掉了洛倫茲因子的簡略寫法。

愛因斯坦的質能方程發佈之後,因此一些人們對原子內部能量的渴望,小小的原子核有可能蘊藏這可怕的能量。但當時大多數科學家認為控制核能還是一種夢想,對質能方程的攻擊也是質疑相對論的主要策略。然而隨著鈾裂變和鏈式反應的發現,原子能不再是理論上的能量,而是可以實際指導製造炸彈,後來原子彈和氫彈的出現改變了世界格局。

有人曾問愛因斯坦為何不能阻止原子武器的應用,愛因斯坦回答:“朋友,這很簡單,政 治 遠比物理深奧”


量子實驗室


質能方程提出的時候,人類還沒有發現原子核裂變的現象,因此原子彈的出現和愛因斯坦的關聯並不大,或者說愛因斯坦的質能方程能夠從理論上解釋原子彈巨大威力的由來,但原子彈的製造和愛因斯坦並沒有關係。

原子核裂變是在1938年,由德國科學家奧托哈恩以及斯特拉斯曼在通過中子撞擊鈾原子核實驗中,發現鈾原子核竟然能分裂成兩個其它元素原子核,這也是人類首次確認原子核可以分裂。

而愛因斯坦提出質能方程的時候,時間還是1905年,他在一篇名為《物體的慣性是否取決於它的能量含量?》的論文中指出:物體的質量是其能量含量的量度。簡單來說就是質量越大的物體,它所蘊含的能量越多。數學形式就是:E=mc^2

下圖是質能方程推導的一種方式

很顯然,1905年的愛因斯坦是不可能知道原子核能進行分裂這一現象的。因此愛因斯坦知道具備質量的物體,都含有很多能量,但卻不知道如何最大限度的釋放這些能量。

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賽先生科普


答:質能方程是愛因斯坦在1905年提出來的,那時候人類還不不知道核聚變與核裂變,也不知道原子核中蘊藏著巨大能量。


在質能方程發現以前,科學家對太陽能量來源一直存疑,化學能是我們常用到的能源,以燃值最高的氫氣來說:

2H2+O2=2H2O,ΔH=-286KJ/mol;

假如太陽所有物質,都是氫氣和氧氣按照方程比例混合,那麼以目前太陽的發光強度,太陽的所有燃料只夠維持2.5萬年的時間,這是遠遠不夠的。


後來人類發現了原子的聚變與裂變現象,並伴隨著質量虧損,如果以相對論質能方程來看,將釋放巨大能量;以氕核聚變為氦-4來看,如果太陽最初全是氕核,那麼太陽質量的氕核,足夠太陽燃燒300億年的時間。

核聚變是澳洲科學家馬克·歐力峰,在1932年發現的;核裂變是德國科學家奧托哈恩在1938年發現的,此後人類打開了原子能的大門。


愛因斯坦是通過他的狹義相對論,推導出質能方程,在愛因斯坦最初的論文中,質能方程描述為:

m=E/c^2;

雖然和現在的E=mc^2形式,只是一個變換的關係,但是意義上有微小區別,質能方程描述了質量和能量是統一的。在原子核中蘊藏著巨大能量,實際上在原子核與核外電子之間,也蘊藏著能量。


一個質子與電子結合為氫原子,質子和電子由於庫侖力相互吸引,在兩者相距無窮遠時,總勢能為零,隨著質子和電子相互靠近,勢能減小為負值,電子動能增大。

當質子完全捕獲自由電子後,自由電子成為核外電子,並釋放光子,此時整個氫原子的質量會略有減小;也就是說一個氫原子的質量,是小於質子和自由電子質量之和的,而損失的質量,被激發光子帶走了,這就是質能方程的意義之一。


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質能方程E=mc^2,由此可以知道即便質量很小的物質也包含了巨大的能量,因為畢竟後面乘以了一個光速的平方,而且這個光速c的數值是以米每秒為單位的,可見能量會有多麼的大。

而愛因斯坦又是如何推導出這樣的一個方程的,愛因斯坦在1905年提出狹義相對論之後,同年提出了質能方程,根據洛倫茲變換結合動量動能定理就可以推導出質能方程。

而核裂變的發現是什麼時期的事情呢?

是1939年德國的兩位科學家斯特拉、哈恩共同發表的核裂變現象論文,同年世界上其它國家的科學家也對此現象進行了驗證,當時第二次世界大戰正進行到了關鍵的時刻,人們似乎意識到這樣的理論可以製造出來人類歷史上最強大的武器。

1939年9月份,著名的科學家玻爾以及惠勒二人從理論上闡述了核裂變反應,並給出核裂變最好的元素就是鈾235.

後來一些該領域的物理學家趕赴美國參與奧本海默領導的原子彈研製工作,直至原子彈研製成功。愛因斯坦當年推導出質能方程時並不是說原子核中蘊含著巨大的能量,而是說任何一塊物質只要轉化為能量都是巨大的,不論是桌子還是板凳腿,還是茶壺還是我身前的電腦,即便是我自己,只要全部轉化為能量都是巨大的,不要說全部了,哪怕是百分之零點幾都是一股強悍的能量。


科幻船塢


首先想說明一下愛因斯坦跟原子彈的出現關係並不大,愛因斯坦提出的質能公式可以用來解釋為什麼原子彈的威力那麼大,即使沒有愛因斯坦的質能公式,原子彈以後可以被製造出來,只是“為什麼原子彈具有這麼大的威力”將變成一個迷。

所以這個問題是有邏輯上的錯誤的,愛因斯坦提出質能方程是從狹義相對論的質速關係推導而出的。(洛倫茲變換)
也就是說質能方程的出現是數學上的推導過程,並非是因為發現原子彈具有巨大威力而提出的理論。從愛因斯坦的質能方程我們可以發現質量和能量在本質上是一樣的,它們可以相互轉化。例如核裂變、核聚變或者湮滅損失的質量將以能量的形式釋放而出。

但是二戰時期原子彈的出現愛因斯坦也可能起到了推動作用,愛因斯坦寫給羅斯福的信表明美國要在德國之前製造出這種威力巨大的武器,以結束二戰。這多少推動了後來的曼哈頓計劃。



科學黑洞


簡而言之,愛因斯坦提出的偉大方程式E=mc^2,也就是著名的質能方程式,對於原子彈的製造沒有直接的指導作用,只是核裂變理論假設被提出來之後,質能方程式是可以用到解釋這一現象上面來。



要了解這一問題,首先還得知道質能方程式是怎麼來的,質能方程式和愛因斯坦的狹義相對論緊密相連,事實上愛因斯坦在提出狹義相對論之前,就意識到了很多與常識不符合的地方,在物理學家洛倫茲提出了洛倫茲變換的前提下,愛因斯坦進一步提出了兩個假設:一、任意一個光源在一切慣性參考系中的速度都是各向同性而且速度都為c;二、所有慣性參考系中的物理定律都是相同的。

隨後愛因斯坦在洛倫茲變換的以及兩個基本假設的前提下推導出了狹義相對論的公式,而根據狹義相對論的公式,愛因斯坦進一步推導出來了質能方程式。所以可見的是,質能方程式完全是純理論推導出來的結果,在原子彈被髮明之前,愛因斯坦也不知道他的這個公式竟然蘊藏著這麼大的秘密,並且這個公式日後還成為了製造原子彈的理論依據。不知道你有沒有聽說過一個故事,那就是愛因斯坦在聽說美國在日本的廣島和長崎投下了原子彈造成了幾十萬人傷亡之後,內心悲痛萬分,還說自己的理論給人類帶來了災難。

重核裂變首先是由德國科學家哈恩以及斯特拉斯曼共同發現的,20世紀30年代以後,隨著電子、中子、重氫的相繼發現,使得放射性化學上升到了一個新的高度。1938年,當哈恩他們用慢中子轟擊鈾核的時候,竟然出現了出乎意料的情況,那就是反應不僅強烈、釋放出了很大的能量,而且鈾核還分裂成為了一些原子序數小很多的原子,哈恩想:“難道這就是核裂變?”

在當時,人們並不知道中子可以打開原子核,不知道中子在打開原子核的過程中,不僅不需要中子的速度很快,而且打開原子核,不需要非常大的能量,更不知道的是打開之後的原子核,居然會釋放出巨大的能量。那麼為什麼打開重核原子核之後會釋放出如此大的能量呢?一開始很多的科學家還持懷疑態度,但是後來他們才發現,原來重核原子核在裂變的過程中,前後物質的質量總和是不一樣的,生成物質的總質量總是小於反應物質的總質量。

這個時候,科學家想到了愛因斯坦的質能方程式,因為似乎只有這個公式才可以解釋為什麼重核原子在裂變的過程中會釋放巨大的能量,原因就在於裂變的過程中發生了質量虧損,而虧損的質量,則按照質能方程式的理論,以能量的形式釋放了出去。可以說,如果沒有質能方程式在關鍵時刻給了科學家理論指導,科學家根本就不會知道釋放的巨大能量是從何而來的,而知道了這個能量是由重核裂變質量虧損帶來的之後,科學家彷彿一夜之間就打開了原子核內部的秘密,原子彈也就隨之誕生了。


在愛因斯坦提出質能方程式的時候,他是不知道原子核是可以被打開的,而且他推導這個方程式的目的,其實是為了形象說明物體在運動速度不同的時候,物體的質量也有所不同,隨之物體所具有的能量也就不同,物體在絕對靜止的時候質量為m,那麼它所具有的能量就是mc^2,如果某刻物體的質量因為速度接近光速的原因達到了m'的話,那麼它所具有的能量就是m'c^2,而原子彈的指導依據,是ΔE=Δmc^2。一個是為了描述物體具有的能量,一個是描述的是物體的質量轉化為能量的過程,兩者是有不同之處的。


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