愛因斯坦的能量魔術(shù)——核能

我們都喜歡看魔術(shù)，無中生有“大變活人”是最吸引人的.如果有人說他能用一個“蘋果”變出一座“小山”，你相信嗎?這是一個能源魔術(shù).

提起能源，還有一個驚人的消息，就是地球上蘊藏的煤#65380;石油等礦藏不久就將消耗殆盡.這個消息也許不新鮮了，但是，科學(xué)家是很認(rèn)真的，他們正在努力尋找新能源，很成功的一種新能源就是核能.小小的原子核在裂變反應(yīng)中所能釋放的能量竟比化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量約大5 000萬倍!1 kg的鈾裂變所釋放的核能，相當(dāng)于2 500 t煤燃燒所得到能量，前者體積只是一個蘋果那樣大小，而后者可以堆成一座煤山，這真像一個魔術(shù).核能是一種干凈的能源，它不會像我們現(xiàn)在燃燒的化石燃料那樣向大氣中排放大量的“溫室氣體”二氧化碳及大量的煙塵，不會對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞.

核能的問世經(jīng)歷了100多年，開始于對原子秘密的探索.19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，法國物理學(xué)家貝克勒爾后來發(fā)現(xiàn)了放射性.1898年，居里夫人發(fā)現(xiàn)新的放射性元素釙，1902年，她經(jīng)過4年的艱苦努力又發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳，放射性顯示出核能的曙光.到了20世紀(jì)初，著名科學(xué)家愛因斯坦在1905年發(fā)表的“相對論”論文中推導(dǎo)出一個“奇怪的”公式——質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mc²，式中c為光速(約3×10⁸ m / s)，E為能量，m為轉(zhuǎn)換成能量的質(zhì)量.能量等于質(zhì)量乘以光速的平方.光速是一個極大的數(shù)值，所以只要有一點點質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，就是一個驚人的數(shù)字.

看上去，這是一個形式上很簡單的公式，但是很不好理解.大家都十分熟悉能量守恒和質(zhì)量守恒，而愛因斯坦卻與眾不同，他把質(zhì)量和能量連成一體來看，他告訴大家:質(zhì)量可以變成能量，能量也可以變成質(zhì)量.后來，科學(xué)家在核反應(yīng)中確實發(fā)現(xiàn)了“質(zhì)量虧損”.丟掉的質(zhì)量哪里去了?實驗證明，變成了能量.如果這些能量釋放出來，就是人們所說的原子能或核能了.

1942年12月2日，著名科學(xué)家康普頓領(lǐng)導(dǎo)幾十位科學(xué)家終于把上述的“魔術(shù)”預(yù)言變成了事實.他們在美國芝加哥大學(xué)成功啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆.雖然第一座核反應(yīng)堆首次啟動時，產(chǎn)生的功率僅能點亮一個0.5 W的燈泡，但標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了核能時代.一種通過原子核變化而產(chǎn)生的新能源從此誕生，這是20世紀(jì)人類的一項偉大發(fā)現(xiàn).

目前，使用核能主要有兩種辦法.一種是將較重的原子核打破，使其分裂成兩半，同時釋放出大量的能量.轟擊原子核的子彈是中子，中子撞擊鈾原子核時，一個鈾核吸收了一個中子而分裂成兩個較輕的原子核，此時發(fā)生質(zhì)量虧損(兩個較輕的原子核的總質(zhì)量小于原來鈾核的質(zhì)量)，同時發(fā)生質(zhì)能轉(zhuǎn)換，放出很大的能量，并產(chǎn)生2個或3個新的中子.它們作為新的子彈繼續(xù)轟擊其他的鈾原子核，反應(yīng)便可以不斷維持下去，稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這就是舉世聞名的“核裂變反應(yīng)”.現(xiàn)在世界各國所建造的核電站，原理都是核裂變反應(yīng)，用于軍事上的原子彈爆炸，也是核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果.另一種核反應(yīng)是，將兩種較輕的原子核聚合成一個較重的原子核，核聚變又叫“熱核反應(yīng)”，它可以釋放出比核裂變反應(yīng)更多的能量，氫彈的原理就是熱核反應(yīng).地球上，核聚變的材料非常豐富，它是氫的同位素——氘.在地球上存在氘和氧組成的重水，重水主要存在于海水中，1 L海水中的重水含的氘通過核聚變釋放出的能量，相當(dāng)于300 L汽油完全燃燒釋放出的能量.全世界海水中所含的氘通過核聚變釋放出的聚變能，可供人類在很高的消費水平下使用50億年.

對核能發(fā)電懷有恐懼心理是大可不必的.在核反應(yīng)堆中，科學(xué)家采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入的深淺來控制能量釋放的速率，使能量慢慢釋放出來，而原子彈則是不受任何控制的瞬間爆炸.打個比方，核電廠像一位有經(jīng)驗的優(yōu)秀司機(jī)駕駛著一輛載重卡車，而原子彈則是一輛沒有剎車橫沖直撞的貨車，所以不是一碼事.核裂變反應(yīng)的過程中所釋放的大量核能，在反應(yīng)堆中大部分都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽狗磻?yīng)堆的溫度升高，這些熱能通過一定的方法又轉(zhuǎn)化成電能.在核反應(yīng)堆外面修建有很厚的水泥防護(hù)層，用來阻擋核反應(yīng)中產(chǎn)生的射線對人體的傷害.目前，科學(xué)家還沒有掌握可控制熱核反應(yīng)的成熟技術(shù)，所以還不能應(yīng)用到發(fā)電上.

我國最早建成的是浙江省秦山(一期)核電站，它使中國成為繼美#65380;英#65380;法#65380;蘇聯(lián)#65380;加拿大和瑞典之后世界上第七個能自行設(shè)計#65380;建造核電站的國家.

目前，我國正著手實施新的核能發(fā)展計劃.我們的目標(biāo)是:到2020年核能發(fā)電量將占整個發(fā)電量的6%，該水平是現(xiàn)有水平的三倍.

責(zé)任編輯 蔡華杰