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  • 阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    提问:爱因斯坦的方程E=mc² 有什么意义?

    回答:从历史来看,质能方程E=mc² 展现了裂变会产生能量,所以它是怪异放射性的一个竞争者(似乎是放射性钡元素的一部分)在铀元素被慢速中子轰击的时候。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    图解:这个没有注明日期的照片是著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦教授,相对论的作者。

    弗里施和迈特纳在1938年的冬天去远足的时候讨论了这个项目。迈特纳猜测原子核或许裂开了(她说的是“裂变”——从细菌中分离——一个生物学隐喻),但是弗里施知道,原子核是很难被撬开的,不容易被这样破坏掉。他不认为原子核是能量的源头。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    迈特纳记得所有元素的平均质量亏损,所以1938年在荒地里,她能够靠一根笔和一张纸得出“裂变产物”元素的“敛集率”亏损,比如碘元素,钡元素或锶元素(比铀元素——最开始的物质还要大)。因此一个铀原子可以分裂成两个原子核,它们失去的质量比一个铀原子失去的质量多。铀和裂变产物之间“失去质量”的差异可以提供所需的能量,能量释放时每E=mc²。“这都合适,”弗里施写道。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    (图:莉泽·迈特纳。奥地利-瑞典原子物理学家。她的众多成绩中最重要的是她第一个理论解释了奥托·哈恩1938年发现的核裂变。1939年2月11日,迈特纳和弗里施发表核裂变的论文。)

    从我们现代的眼光看来,这有点落后了。一旦原子核之间的吸引力被克服,能量就从碎块的电磁排斥中产生了。但是能量被吸引的可能性由这些力的总和提供,这些力的总和要足够大才会在能量释放之后(变成了光和热)出现质量亏损。所以迈特纳所需的要展示的时假设裂变反应是“放能的”(产生能量)。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    (图:核裂变)

    如果是这样,那这个关于裂变的新公设不违反热力学第一定律,并且他们在这个时候不需要担心有效机制。他们只需要解决弗里施的“第一定律”对热力学的违反。

    热力学第二定律关注到,每当产生热和/或辐射并扩散到空中时,便是每次自发的核反应或衰变发生时。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    (图:爱因斯坦与质能方程)

    这来自爱因斯坦方程与核威慑的有关的观点(况且,爱因斯坦-西拉德之信在二战之后变得有名)。但是在我们发现这点之前,丢失的质量并不是对裂变能量的解释,仅仅是能量变得活跃并离开的一个副作用。迈特纳指出,这种预期的副作用是那里有大量能量的反应。

    产物应该会在它们变冷之后变得更轻。因此裂变反应会产生自由或活跃得能量(光和热),而不是忍气吞声。这样,它会是自发的,(或至少,它是容易发生的,因此可能是一个流程。 )

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    放射性与核能

    人们很容易注意到,在1897年放射性被发现之后,放射过程产生的总能量比任何已知的分子变化产生的能量大差不多一百万倍。不过,一个疑问产生了:这些能量是从哪来的?在排除某些微粒的吸收和释放之后,大量储存在物质中潜在能量的出现,被欧内斯特·卢瑟福和弗雷德里克·索迪在1903年提出。卢瑟福也提出这些内部的能量是储存在通常物质中的。他接着在1904年推测。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    (图:卢瑟福)

    如果找到可以控制放射性元素衰变率的方法,巨量的能量就可以从少量的物质中获得。

    爱因斯坦的方程绝不是大量能量从放射性衰变中释放的解释(这来自原子的力量直到1905年才被了解)。不管怎样,巨大的能量从放射性衰变中释放(被卢瑟福测量过)是比测量物质总质量的改变(依然很小)要容易的。爱因斯坦的方程,从理论上讲,可以通过测量反应前后的质量变化来测量能量。但是实际上,在1905年,这些质量的变化对测量来说还是太小了。

    阿尔伯特·爱因斯坦的著名方程 E=mc²有什么意义?

    在这之前,用热量计测量放射性衰变能量是容易的,作为对爱因斯坦方程的检验,被认为会使测量质量差的变化成为可能。爱因斯坦在他1905年的论文中提到,质-能等效也许会被放射性衰变(释放出足够的能量,1905年知道了粗略的数量)测试到,在从系统中消失时可能被称出重量(变成了热量)。不过,放射性因为它不会改变的温和,会继续进行,(甚至在简单的核反应能通过质子轰击进行的时候),因为放射性反应非常慢。这大量的可用能源会有无尽的实用性的概念,很难被证实。卢瑟福在1933年的报告中澄清,这些能源不能被有效开发:“不管是谁,想要从原子中转化出能量简直是做梦。”

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. forbes-初霁

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