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    【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?

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      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (来源:搜狗百科)

      莫慌,这次是真核能!
      都21世纪了,就别再谈核色变啦;
      不如,
      用核能来炖个牛肉呗。

      一部核能史,串出一部近代物理学史
      核能(Nuclear Energy)又称原子能,是利用原子核发生变化释放的能量。核能是人类历史上的一项伟大的发现。纵观核能的发展史,我们可以看到整个近代物理学史。
      1895年,谨慎的德国物理学家伦琴(Wilhelm Röntgen,1845-1923)凭着发现新事物的眼睛和不懈钻研的精神,发现了X射线。
      一张带着戒指的X光手片,打开了胸片、牙片、安检仪、探伤仪等等应用的大门,成为一把为我们的健康、安全以及生产生活的方方面面保驾护航的“光剑”。
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (来源:百度图库)
      1896年,出生于法国一个科学氛围浓厚家庭的贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,1852-1908)也是由于一场意外而发现了铀的天然放射性。
      两年后,居里夫人在研究铀射线的存在时,在铜铀云母中又发现了一种比铀的放射性强百倍的元素--钋。几年之后,居里夫人又发现了另一种放射性元素--镭。因为发现天然放射性,贝克勒尔与居里夫妇共同获得了1903年度诺贝尔物理学奖。
      随着越来越多的放射性元素被发现,人们又开始思索:这些物质辐射出多少能量?能否与物质的质量联系起来呢?

      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?

      (来源:pic.bqatj.com)
      这个问题兜兜转转,来到了永远不可能避开的天才爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)面前了。在“爱因斯坦奇迹年(1905年)的《奇迹年论文》”中,他把以辐射形式发射的能量和物质的静止质量联系起来,得到了著名的质能方程:
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      时间辗转,来到了1914年。在英国曼彻斯特大学工作的物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937)通过α粒子轰击氮核,首次发现了质子,并测定了它的电荷与质量。这一历史性的事件,揭开了原子核结构神秘面纱的一角。
      前方核能预警
      相关研究在紧锣密鼓的进行着,直到1935年,英国物理学家查得威克发现了中子;1938年,德国科学家奥托·哈恩用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。似乎,原子能世界的大门,如大爆炸一般的打开了。
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (来源:3g.xici.net)
      目前,人类获取核能的方式主要有两种:重核裂变和轻核聚变。核反应释放能量的多少则遵循爱因斯坦的质能方程式。
      简单来讲,核裂变就是利用带有一定能量的中子轰击较重的原子核,本身就不怎么“踏实稳重”的重核就会分裂成两个或多个质量较小的原子核,同时还能放出中子和一定的能量。
      顾名思义,核聚变就是让两个比较轻且速度超高的原子核相撞然后发生聚合,变成一个较重原子核并放出能量的过程。你问这里为什么要用轻核?因为轻核“老实”啊,重核闲着时都可能“分裂”(衰变),还指望它们能合成一个更重的核吗?
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (裂变和聚变,来源:知乎)
      核能就是那么一枝独秀,核能是少有的不依赖于太阳的能源来源。就拿最常见的氘氚二核的聚变举例。在地球上,海水中氘的含量为十万分之三,即1升海水中含有0.03克氘,所以海水里大约有40万亿吨的氘。虽然与氢、氘相比,氚在自然界中少得可怜,但可以采用中子轰击锂制备氚;当然,也贵的要死。
      这么来看,利用氘聚变产生的能量支撑人类活上几亿年都不成问题。
      什么?不信吗?质疑这些小小的原子,能产生多大的能量?
      那我们一起开算吧。
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (核聚变,来源:百度百科)
      首先,先看核聚变。目前所用的氘核聚变,主要应用氘氚二核的聚变反应,如以下公式所示:
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      则一个氚核和一个氘核聚变,会生成一个氦核和一个中子,同时放出约17.58MeV的能量。

      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?

      一个氘核的质量约为2.014u,一个氚核的质量约为3.018u,1u约为1.66e-24g。那么1g氘核:氚核反应物中大约各有1.2e23个氘核及氚核。则对1g氚和氘,则能够释放出1.2e23·17.58MeV约为2.1e24MeV的能量。
      关于能量的单位,"MeV"和"J"之间满足以下换算关系:
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      可以得到,1g氘和氚完全聚变大约能释放出3.36e11J能量。
      再让我们看看核裂变,也拿可能你萌大概率听说过的铀235举例。铀235主要采用中子轰击诱发裂变反应,如图所示,随着入射中子的能量不同,裂变子核也不同;但随着中子能量增加,裂变子核质量数趋向于对称。
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (U235的热中子诱发裂变,来源:知乎)
      假设铀235裂变产物为锶和氙,反应方程如下:

      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?

      同时,铀235裂变还会产生几个中子,以及差不多200MeV的能量。一个铀235的质量约为235u,那么1g铀235中大约有2.56e21个核子。则对于1g铀235,则能够释放出2.56e21·200MeV约为5.12e23MeV的能量,大约为8.19e10J
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (U235的裂变,来源:SME-Talk)
      我们可以查到,1kg标准煤燃烧所释放的热量为2.93e7J,也就是说2.8吨标准煤燃烧所释放的热量量才等于一克铀235完全裂变所释放的能量。
      如果把对比物换成木柴就更令人咋舌了,需要将近7吨的木柴完全燃烧才能够等同于一克铀235完全裂变所释放的能量!

      如果核能···炖牛肉
      这不是牛年了吗,相宁有个不成熟的小想法——如果用氘核聚变产生的能量炖牛肉,能做熟多少牛肉呢?
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (牛肉火锅,来源:k.sina.com.cn)
      首先,我们需要知道一些常数。我们选取处于冻点以上的25摄氏度室温、含水量70%以上的新鲜牛肉的比热容约为:
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      为了健康和安全着想,无论是吃火锅涮肉、还是牛排烧烤,我们都要吃全熟的牛肉哦。此时的牛肉,被加热到100摄氏度。
      则,将1Kg牛肉从25摄氏度室温加热到100摄氏度,需要的能量为:
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      下面,我们要做几个理想情况的假设——
      1,假设原子核100%反应;
      2,假设核能转化为热能时不产生其他能量散失,转化效率也是100%;
      3,假设采用核能加热牛肉时,“火候”能量均匀、时间把控精准,牛肉各部位薄厚均匀,且均同时达到一定温度;
      4,考虑到如果是炖牛肉,需要先加热水和锅;如果是烤牛肉,还要在漆黑的夜晚温暖周围的空气。因此假设能量损耗能达到30%;
      5,同时,不考虑比如制备氚的能量消耗、产生裂变中子的能量消耗以及其他各种恼人的核反应条件。
      下面【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?,就是揭晓答案的时刻————
      1g氘和氚能炖熟多少牛肉呢?
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      1g铀又能炖熟多少牛肉呢?
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      这样看来,1g核反应物产生的核能能炖上千吨牛肉。【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      所以,核能炖牛肉,必然真香!【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      而且,核聚变产物更加清洁,炖出的牛肉也会干净纯香!十里飘香!【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      【APC科普】前方核能:1g核反应物,能炖熟多少牛肉?
      (来源:搜狐网)
      写在最后的话——
      边学边玩,开心为主。
      如有雷同,纯属巧合。如有疏忽,不吝赐教。
      祝大家牛气冲天、牛年大吉!
      2021年实现火锅自由、烤串自由、牛排自由

      参考文献:
      [1]百度百科:核能.
      [2]百度百科:核裂变.
      [3]百度百科:核聚变.
      [4] 链接
      [5]常用食品比热.
      链接
      [6]李会超.“核能”的威力[J].百科探秘(航空航天),2021(Z1):62-67.
      [7]张岩峰.核聚变[J].中国科技术语,2020,22(06):112.
      [8]王建强,戴志敏,徐洪杰.核能综合利用研究现状与展望[J].中国科学院院刊,2019,34(04):460-468.

      [9]俞微微.计算猪肉、牛肉和鳕鱼的热物理性质的经验公式[J].大连水产学院学报,2000(01):50-54.


      编辑:夏至,文章来源于中科院半导体所,作者颜相宁,再次转载请联系原作者


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