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核能对太阳产生的作用

时间:2017-06-12 17:40 来源:地理教师网 作者:云中雪 责任编辑:地理教师
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  有关核能为太阳提供了大量的能量这一点并不难确定,但这一过程的具体实现却比较难以理解。而要解开这一谜团的首要工作是要弄清楚核能的来源。1911 年,英国物理学家俄涅斯特·罗塞福对此进行了一系列研究,在研究过程中,他利用一束放射性元素的射线对金箔制成的胶片进行轰击,发现绝大部分光束穿透了胶片,而一小部分却被反射回来。由此,他认为原子并非只是一个简单的微型球体,而是具有某种特定的结构。在它内部存在一个原子核,其体积应只占原子内部空间的十万分之一,质量则占了整个原子质量的绝大部分。原子中其余大部分空间被电子所占据。
  一般的化学反应(如碳、石油以及TNT 炸药的燃烧)的实质不过是原子外部电子间的转移。这种转移的结果就形成了产生某种具有较少能量的分子(该现象与一个下滚的球体类似。对于相同的球体,其处于较低位置时所具有的势能要低于其处于较高位置时的势能)。一旦化学反应发生,多余的能量将伴随高能反应物向低能量产物的转变而以力、热或光的形式释放出来。
  原子核由质子和中子构成,并可通过能量的散失而进行结构的重新组合,同时,额外的能量也将以射线、热等形式释放出来。在地球上所产生的一般化学反应比起这种核反应发生的次数要频繁得多,而且与一般化学反应相比,这种核反应的开始、停止和持续都困难得多。因此,在19 世纪末期之前,并未引起人们的充分重视。此外,还有一个真正原因在于由于放射性反应非常缓慢,因此在特定时间内所释放出的能量也是微乎其微的,而自然界的核反应的发生与放射性活动有着密切的关联。
  在核反应中,一定质量的物质所释放出的全部能量比在化学反应中由相同质量的物质所释放出的全部能量要巨大得多。因此,虽然由逐渐收缩所引起的化学反应产生的动能不足以支持太阳的生命时间,但核能却可以。不过得需要科学家们找出相应的核反应类型。
  地球上自发形成的核反应中包含有大量的铀原子和钍原子。在放射反应发生的过程中,部分铀原子和钍原子被分解成碎片,于是能量就产生了。如果在我们所说的裂变过程中,铀原子和钍原子质量或多或少地减至一半,那么,所产生的能量将更多。但是即便是这样,在上述反应过程中所产生的能量也不足以维持太阳的生命历程,更糟的是太阳本身所包含的这些原子也只是微量的。
  对于中等尺寸的原子来说,它们包含的能量就更少。在普通的放射性反应或裂变过程中,原子如同滑坡一样,当原子量较大的原子裂变成较小的原子时,将释放出能量。同样的现象也发生在小质量的原子聚合成重原子的过程中。假设氢原子(最轻的原子)能聚成氦原子(次轻原子),这个过程中,由给定重量的氢原子产生的热量远远大于同重量铀原子产生的热量。根据已知,太阳重量的75%来自于氢,而其余约25%来自于氦,太阳上的氢在聚合的时候为太阳提供了大量的能量,而太阳中丰富的氢的含量将使这个过程持续10 亿年之久。
  原子来说,其状态更不稳定,也就是说此类原子处于反应的临界状态,在极小的作用力的推动下,就将产生衰变,有时在完全自发的情况下也可能发生。因此,原子的裂变在适当的条件下应该是极易发生的。各个氢原子的原子核间排列十分紧密,它们具有产生聚变的可能。但另一方面,由于氢原子中的外部电子活动与宏观世界中炮弹的活动相类似,因此这种聚变反应在一般条件下又很难发生。当两个氢原子发生碰撞的时候,各自的外部电子将在碰撞时分别反弹,而绝对不可能相互靠近。不过,这种现象只适用于地球上的条件。太阳上的超高温足以使氢原子之间的化学键发生断裂,并促使原子核在原子内部不断运动。强烈的太阳大气压将使氢原子紧紧地撞在一起,而其超高温将促使氢原子运动的速度远远超过地球上的氧原子。这一切现象都将伴有巨大作用力的产生,从而使氢原子的聚合成为可能。
  德裔美籍物理学家汉斯·阿尔布瑞特·贝斯曾致力于氢聚变的研究,并在实验室条件下进行了有关核反应的实验,同时,根据该实验对太阳中心发生相同的反应所应具备的温度和压力做出了近似的判断。在1938年时,贝斯制定出了一套对有关提供太阳存在所需能量的核反应进行研究的计划。迄今为止,他的有关理论仍具有权威性。至此,赫尔姆霍兹疑问终于在一个世纪以后有了正确的答案。

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