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回顧:同樣是核融合,為何太陽可燃燒100億年,氫彈卻一下子就炸了?

2024-10-07科學

世界上所有的物質其實都是由 原子 所組成的,而原子的內部結構則是一個原子核和很多個圍繞其旋轉的電子。只要在一定的條件下,這些原子核就會發生 爆炸反應 ,從而迸發出巨大的能量。

氫彈 所產生的爆炸就是因為原子核發生了 核融合反應 ,從而產生了 巨大的能量波動 。其實 太陽 之所以能夠一直 燃燒100億年 也是由於核融合所導致的 ,那麽為什麽氫彈卻在一瞬間就爆炸了,而太陽卻能夠持續迸發將近100億年的能量呢?

太陽是一顆一直燃燒著的火球

氫彈為什麽一瞬間就能爆炸?

  • 氫彈的發展歷史

  • 在上個世紀40年代,世界上的科學技術便達到了一個新的高度,核武器也是在那個時候出現的。最先提出關於核分裂設想的科學家是來自德國的哈恩和斯特拉斯曼,他們兩位在1939年初就發表了關於 鈾原子核分裂現象 的論文。

    於是在幾個星期之後,世界上的很多科學家便開始逐步證實這一觀點,並且有人還認為可以創造出關於這種核分裂反應的條件,從而 為人類的發展提供一種更為強大的能量

    核反應

    歷史上很多最為先進的技術,都是最先運用在軍事方面,核分裂也不列外。但是二戰之前,原子彈的制造受到了政治條件和社會因素的影響而沒有繼續開展下去。但是到了1940年的時候,德國攻占了法國,於是英、美等先進國家便重新將註意力放在了 核武器 的研究上。

    當時很多科學家擔憂,一旦德國的法西斯分子率先掌握了核融合技術就會給世界人民帶來十分嚴重的後果,甚至愛因史坦最後也給美國總統羅斯福寫信,表明 原子彈實驗已經迫在眉睫了

    愛因史坦

    到了1942年,美國才開展 「曼哈頓工程區」 這項秘密計劃。美國政府耗費將近60多萬的人力以及20多億美元的投資,於是到了第二次世界大戰後期, 美國成為了世界上第一個制造出原子彈的國家

    而蘇聯在1941年受到德國法西斯軍隊入侵後才正式官方性地開展原子彈制造計劃,關於鈾原子核的自發分裂便是在這個時候被蘇聯物理學家Г.Н.弗廖羅夫和Κ.А.佩特紮發現的。但是後來衛國戰爭的爆發,使得 蘇聯在1943年的時候,才在庫爾恰托夫的領導下進行原子彈研究

    由於蘇聯在1949年制造出了原子彈,使得美國人開始尋求一種 更為強大的武器 ,於是在1950年1月的時候,美國總統杜魯門便呼籲要加快制造 氫彈 ,由此世界各國才開始把目光放在氫彈上面。

    氫彈

    最終美國在上世紀50年代制造出了氫彈,而英國和法國也緊隨其後,分別在在上世紀50年代和60年代開展了原子彈和氫彈實驗,而中國關於氫彈的研究歷史則是要追溯到1967年了, 僅僅在原子彈完成2年過後,我們便制造出了氫彈 ,讓世界各國都刮目相看。

  • 氫彈爆炸的原理

  • 原子彈 的爆炸源於 撞裂原子核 ,而 氫彈 的爆炸原理則是源於 融合原子核 ,前者是 核分裂 來產生能量,而後者則是透過 核融合 的方式。從爆炸的強度上看, 核融合要比核分裂強大很多

    核分裂過程

    氫彈的核融合之所以會產生出爆炸,這就是因為氫彈將氫中的 兩個同位元素氘和氚會相互融合形成氮 ,從而發生爆炸並釋放出巨大的能量波動。氫原子的原子核裏面僅僅存在著一個質子,但是 氘原子的原子核則多出來了一個中子 ,所以一旦氘原子遇上氚原子並進行融合的時候,那麽 氦原子的能量 便會 小於氚原子和氘原子的能量之和 了。

    其實在一般情況之下,物質中的兩個原子核是沒有辦法進行融合的,因為在其內部都攜帶著 正電 ,一旦相遇便會互相 排斥 。但是氫就不一樣,因為在氫原子的原子核中僅 僅存在著一個質子 ,所以 氫原子核所攜帶的正電往往會比其他原子核的正電小

    核融合反應

    只要在 高溫 的環境下,就能夠使得 二者相互融合 ,因為一旦環境的溫度升高,那麽原子的運動速度也會隨著加快,所以要把兩個原子核進行融合的話,就必須把兩個原子的運動速度加快到非常高的程度,經過科學家們反復的實驗,發現在溫度達到 1億攝氏度 的時候,就能夠 完成這一理論

    因為在1億攝氏度的環境溫度下,原子就會發生蛻變從而成為一種 電漿 ,這個時候原子便會從原有的執行軌域上脫離下來, 讓原子核之間的距離縮小 ,當這段距離到達1*10^(-15) 米時,強大的核力就會顯現出來。

    原子核

    那麽我們是如何制造1億攝氏度高溫去制造氫彈的呢? 其實在氫彈的內部還存在著一個原子彈 ,當原子彈發生了爆炸就會在 一瞬間產生高達1億的溫度 ,以此為氫彈的核融合反應提供條件。所以恰恰是體內原子彈的貢獻才會讓氫彈能夠瞬間點燃發生爆炸。

    太陽為什麽能持續燃燒100億年?

    根據有關研究,其實太陽的燃燒和我們平常生活中看見的物質燃燒是不一樣的,在太陽的內部一直都在進行著和氫彈爆炸相似的核融合反應,所以太陽能夠發出熱量和光芒。

    而太陽之所以能夠持續燃燒將近100億年,且不像氫彈會在一瞬間就發生爆炸,這主要是由兩個因素所導致的,首先就是 太陽自身的燃料要足夠充足 ,其次就是 讓核融合發生的反應速度要保持穩定

    太陽燃燒

    太陽是太陽系中無論是從品質還是體積上看都是最大的一顆星球,而人類所處的地球其品質 僅僅占了太陽系的0.0003% ,而且太陽的體積也是地球的 130多萬倍 。所以太陽自身所存在的 氫元素 是非常多的, 能夠支持其持續燃燒下去

    太陽和宇宙中的其他行星一樣,在內部高溫高壓的作用下,幾乎是 每分鐘就有大概6億噸的氫會進行核融合 ,並且還會有420萬噸的物質會隨之成為能量,這種能量會從太陽的中心逐漸向四周發生 擴張 ,從而 傳達到太陽的表面上

    能量在太陽表面擴張

    如果說人類想要收集到一分鐘太陽所釋放出來的能量,那麽幾乎會 花費接近100萬年以上的時間 。而太陽的中心發熱區域經常會產生一種 永續的融合反應 ,會從外部向內部形成一種巨大的壓力。

    但是內部產生的核融合往往會產生一種更為強大的張力,從而這 兩種力量相互匯集 ,達到一種平衡性,所以恰恰是因為這種狀態,才使得太陽能夠持燃燒100億年的時間。

    太陽為什麽能穩定輸出能量呢?‍

    太陽在發生核融合的時候,經常會出現 質子-質子反應鏈 。而這種反應鏈想要發揮作用,就必須要 質子和質子之間完成第一階段的核融合反應,太陽才會迸發出能量

    質子——質子反應鏈

    由於質子和質子之間相互存在著 正電荷 ,使得它們互相存在一種 排斥力 ,從而讓核融合的反應難以繼續維持下去。那麽太陽是怎麽發生核融合的呢?其實這主要是因為太陽上還有一種 「弱力」 ,這種力量能夠使質子的狀態發生一定程度的變化,從而讓太陽核融合的反應變得可能。

    但是僅僅依靠太陽自身的弱力其實還不太夠,因為較低弱力讓太陽上的質子相互碰撞的機會並不是很大,所以這就 要求太陽上質子的密度必須要更大 才行。而在宇宙大霹靂之初,宇宙空間便彌漫著大量的氫,於是太陽在形成後自身攜帶的氫數量是非常龐大的。

    宇宙中充滿了不可見的物質

    恰恰是龐大數量的氫和太陽上存在的弱力才 使得太陽發生核融合的速度處於一種緩慢狀態 ,同時又不會很快消耗完氫的數量,所以太陽才能夠持續燃燒下去。

    核能既是天使也是惡魔

    核能的發現對於人類來說既有好處同時也存在有 潛在的危機 ,核能發電可以使用鈾來完成核分裂鎖鏈進而產生出熱量,並且還會把水加熱成為高溫和高壓的狀態, 從核反應迸發的熱量來看就要比普通的化石燃料高出很多 ,而且 所需要的燃料數量比火力發電少

    核能發電廠 每年 僅僅需要 消耗80噸的核燃料 ,而這些核燃料使用兩個標準的貨櫃就能夠進行運輸了。假如將其換成 煤炭 ,那麽就需要將近 515萬噸 了,而且需要裝載在20噸的卡車中,並且拉705輛才能運輸。如果是天然氣的話,就需要消耗143萬噸了,換算下來幾乎是 20萬桶的家用瓦斯

    核發電廠

    不僅如此,核能發電不會像那些化石燃料發電廠一樣,會將大量的汙染物質排放到大氣層中,所以 並不會產生過量的空氣汙染

    但是核能發電在歷史上也有很多失敗的例子,曾經在日本的 福島第一核電廠 就發生過放射性物質泄漏事件,當時日本政府將核電廠周圍20多公裏範圍內的居民全部 緊急避難

    隨著汙染情況的加劇,百姓們都要求能夠得到安全庇護,所以政府的生物必需品的補給就變得十分困難,最後日本政府為此次事件進行了道歉,並 緊急叫停了14座新增的核反應發電堆計畫 ,對其能量政策開展了全方面的檢查。

    福島第一核電廠

    第二起比較大的核反應泄漏事件就是發生在上個世紀末的 車諾比核泄漏事件 了,當時很多居民都受到了不同程度的核放射線,一旦放射性物質進入到人的呼吸系統,就會在人體內引起內放射線反應,從而產生 頭昏、出血甚至是癌癥和新生嬰兒畸形 等情況,而且這些病癥還會遺傳下去,身體受到的放射線越是嚴重,那麽產生的痛苦就越是巨大。

    「人間慘劇」

    車諾比核泄漏問題使得前蘇聯幾乎投入了 2000億美元 才勉強控制住,但是隨著空氣的飄動,當時的很多歐洲國家,例如白俄羅斯和瑞典等都不同程度的汙染。

    大概有9.3萬人在這次事件中喪失生命,還有 27萬人因此患上疾病 ,而且直到現在,當地政府也只是將車諾比工廠封閉起來,僅僅能維持100年的時間,而在100年後,這些核汙染有該怎麽解決呢?這依舊是一個問題。

    車諾比事件受害者

    總結‍

    核能也是一種 新能源 ,但是我們在享受它的同時,也必須對它 提高警惕 ,防止再次出現車諾比那樣的核泄漏事件,所以小編認為:核能既是天使,同時也像是一個惡魔。只有完善關於核反應的檢測系統和預備措施,才能安心地使用它們。