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假期美食分享：1g核反应物，能炖熟多少牛肉？

IDG资本 · 公众号 · 科技投资 · 2021-04-04 19:45

正文

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”。

（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？

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：

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。

（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？

（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。

（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：

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。

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：

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。

（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：

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。

（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？

(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：

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：