核聚变和核裂变为什么可以产生大量能量呢?

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发现核裂变能够放出热量是偶然的。

1905年爱因斯坦发表质能方程,当时并没有提到核裂变和核聚变,1938年以前迈特纳和哈恩试图用中子打击U原子以将中子黏在U原子上得到更重的原子,但世界上此实验一直失败,因此U遭到中子轰击后发生了裂变,从此发现了核裂变现象,随后才发现这个过程是释放能量的。

图释:核物理学家迈特纳

解释核裂变能够释放能量需要先知道一个概念——结合能。

当两个或者更多个部分能够组成一个相对稳定的体系时,各个部分肯定是相互吸引的,如果想要将各个部分分开,必然会消耗额外的能量,这个额外的能量就是这个体系的结合能。


原子核就可以看做是一个体系,要想将原子核分裂成几个碎片或者核子,必然需要消耗能量,这个称为原子核的结合能,如果各个碎片或者核子组成一个大的原子核时,必然会释放能量,这一切都是核力的作用的结果。

如果原子核之间的作用力越强,则原子核结合的就越牢固,为了更准确的研究原子核的结合强度,提出了比结合能的概念,即用原子核的结合能除以核子数。比结合能越强则说明原子核结合的越紧密。

从上图可以看出铁的比结合能是最大的,以铁为分界线。也就是说其他轻的原子核较重的原子核时会放出能量,较重的核裂变时同样也会放出能量。

综上,核力的作用效果导致了不同元素的比结合能不同,比结合能不同导致了重核裂变和轻核聚变都是放热的过程。

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核先生科普


答:核裂变与核聚变释放能量,是以铁-56为分界线的,铁-56的比平均结合能最低,是所有原子核中最稳定的。


我们知道,氢弹的爆炸原理是核聚变,原子弹的爆炸原理是核裂变,核裂变与核聚变似乎是两个相反的过程,为何都能释放大量能量呢?

其中的原理与原子核的构成有关,原子由原子核与核外电子组成,原子核又由质子和中子构成,把质子和中子束缚在一起的力叫做强相互作用,强相互作用是四种基本力中最强的,强度是电磁相互作用的137倍,是万有引力相互作用的10^39倍。

我们来想象这么一个过程,两个天体因为万有引力相互吸引而绕行,如果我们要把两个天体分开,就需要借助外力的作用使其相互远离,这个过程需要输入能量来克服引力势能,所以两个天体靠得越远引力势能越大。

我们可以类比原子核内的情况,以氦-4为例,质子和中子通过强力结合在一起,如果我们要把原子核中的质子和中子完全分开,就需要输入能量,说明质子和中子在完全分开的情况下,整体具有的能量更高。

反过来说,质子和中子相互结合时就会释放能量,氢元素聚变为氦元素就属于这种情况,由于强相互作用很强,所以强力变化导致的能量释放也高,强力比电磁力强137倍,自然化学反应中的能量变化无法与核反应相比较。

于是核聚变就能释放巨大的能量,但是要引发核聚变并不容易,因为强力的作用范围非常小,原子核间必须克服质子的排斥力(电磁力),使质子间的距离达到强力作用范围后才能结合,比较直观的办法就是增加原子核的撞击速度和撞击频率,宏观条件就是增加温度和压力。

但是随着质子数的增加,会遇到一个大问题,就是强力的作用范围很有限,而质子间的的电磁力还在叠加,于是随着核子(质子和中子)数的增加,强力的作用在减弱,原子核反而变得不稳定,最后甚至无法形成稳定的原子核,其中的临界线就是铁-56。

于是小于铁的原子,聚变会释放能量,而高于铁的原子,裂变也会释放能量,但是重原子核内的强相互作用没有轻原子核内的强,所以裂变释放的能量没有聚变高。

在物理学中,我们用结合能来表示把不同原子核分解为质子和中子时,需要输入能量的大小,显然核子数越多结合能也越高。

真正反应原子核稳定性的是平均结合能,也就是结合能与核子数的比值,原子核的平均结合能越高,原子核就越稳定,平均结合能越低,原子核就更容易发生聚变或者裂变,由于质量和能量是等效的,所以我们也可以用核子平均质量来描述。

平均结合能就如一个在重力作用下的小球,小球越在靠近谷底的地方越稳定,越靠近山顶越不稳定,当小球从山顶滑落到谷底时,在重力作用下势能就会做功,在原子核中也是类似的,原子核平均核子质量降低,就会释放能量,所以核聚变与核裂变都会释放能量。


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艾伯史密斯


原子核是由核子(质子和中子)构成的,核子之间存在相互作用的核力,原子核是一个坚固的集会体。

核聚变是轻核结合成中等质量的核的过程。

核裂变是重核分裂成中等质量的核的过程。

核聚变和核裂变之所以能产生巨大的能量,是由于:

①核子之间存在着强大的核力作用。

②原子核内存在着巨大的结合能。

③核反应存在质量亏损。

④质量亏损越大,产生的能量就越大。

实验研究表明:

原子核质量总是小于组成原子核的全部核子的质量总和,即 m核

核子结合成原子核时要放出结合能; 如:


原子核分解成核子时要吸收同样多的结合能。如:

你可能会问:为什么裂变和聚变都是放出能量?

这跟核子的平均结合能有关。

平均结合能=结合能/核子数

平均结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量,也是把原子核分解成核子时每个核子平均吸收的能量。平均结合能越大,原子核就越难拆开,原子核越稳定。即平均结合能的大小反映的是原子核的稳定程度。

科学家们通过对核子的平均结合能和原子核的质量数的研究发现,核子的平均结合能随原子核的质量数的变化规律如下图所示:

由图可知,质量数较小的轻核和质量数较大的重核,平均结合能都比较小,中等质量数的原子核,平均结合能大,质量数为50~60的原子核,平均结合能最大。

由于核子平均结合能越大,原子核子越稳定,故重核和轻核都能发生核反应生成中等质量数的原子核放出能量。

只要知道核反应过程中的质量亏损,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc² ,就可以求出核反应放出的能量。如铀核的核裂变:

通过计算可知一个铀核裂变放出的能量大约为201电子伏特,1千克铀全部裂变时放出的核能就相当于2500吨优质煤完全燃烧时释放出的化学能。


而一个氘核与一个氚核结合成一个氦核会释放出17.6兆电子伏特的能量,可见核聚变比核裂变释放出的结合能大得多。


最靠谱答案


  • 实际上,并非是所有的核聚变或者核裂变都是释放能量的,因为核元素的本身需要有一个平衡,而这个平衡的根本就是,要有能量的释放,那就必需得有能量的摄入。以铁的稳态为界线,通常是重于铁的元素裂变时产生能量,但轻于铁的元素裂变时却需要吸收能量。这就是为什么在核能中,聚变的是氢氦元素,而裂变的是铀了。

  • 核能的本质就是自然界中的强相力与弱相力的结合通称。核聚变与核裂变产生大量能量的根本是质量的亏损,这个从爱因斯坦的质能方程中就可以看得出来,而从系统形态的原因上看,其能量的释放就是原子核系统平衡形态被打破。
  • 当前最理想的核燃料为氦-3,这是一种通过聚变来产生巨大能量的元素,它被公认为高效、洁净、安全无核辐射的发电核原料。1吨的氦-3可产出1万兆瓦的电力,可惜此种珍贵原料只有在月球上才能大量拥有。


小民科


概念:一个核反应所释放的能量等于末态核与初态核的结合能之差。

理论上,末态核的结合能小于初态核,就会释放能量,相反即会吸收能量。

已知世界认识中,轻原子(H、He等)核聚变都是末态核结合能小于初态核,所以表现为释放能量。

但“核聚变过程中都会释放能量”的说法是不正确的,例如铁(Fe)核变生成过程中是要吸收能量的,因为Fe的结合能大。


巧笑倩兮美目盼


核聚变核裂变,其原核中子质子结合分离,原核会高温释放中子,使原核释放结合能分离能,因为原子核中的中子质子相互靠近会相互吸引像化学反应氢氧结合产生能量形成水,而原子核裂变,是高温将原核中子质子团分离释放中子,像一块物质分子结构分离会产生温度差别熵运动,释放能量一样。


简生34400656


磁场里高速流动的物质转化为金属态氢离子,金属态氢离子的“磁力矩”相互切割聚合形成新元素的同时伴生电磁波——能量。

核裂变是为金属态氢离子的聚变作准备的。

金属态氢离子聚合的新元素反复裂解为金属态氢离子——链式反应,产生大量电磁波——能量。





金童希瑞


不一定产生能量,也许会吸收大量能量呢,分界线:铁

轻元素聚变总质量减少,质量转换为能量,超过铁元素的重元素聚变吸收能量,流浪地球中的重元素聚变堆聚变的元素主要是石头里的钙,碳,氧等。

重元素裂变产生能量,但轻元素裂变吸收能量。


质量和能量是同一种物质的两种不同状态,就像水和冰一样,可以相互转化。


飞入花丛都不见


E=mc²

著名质能方程,原子弹,氢弹都是以此理论为基础研发的。

这个质量指的是核裂变,核聚变的反应过程中丢失的质量就转变为核能。

核裂变简单来说,就是大原子核物质分裂成小原子核物质的过程。核聚变是相反过程。


iring38434927


要想弄清这个问题,必须得认清整个宇宙的内在结构,弄清能量的概念,才能解决这个问题,下面我来从最基础理论基础知识讲起,说明核裂变与核聚变的能量来自于哪里,

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