今天和大家聊一聊世界上最稳定的元素是什么?不过这篇文章是从物理角度进行讲解的,并非化学角度,所以本文提到的稳定并不是指元素的化学性质是否活泼,而是指元素的衰变周期的长短,在讲解这个问题之前,我们需要先来简单的了解一下:核聚变和核裂变
核武器的秘密
核武器是目前世界上威力最大的武器,很多读者表示好奇:为何看起来质量、体积都不是很大的一枚炸弹,竟然可以在爆炸时释放出足以毁灭一个城市的恐怖力量,这远远超出了我们对于武器的认知,所以难免会引发我们对于核武器爆炸机制及原理的好奇。
想要了解核武器为何能释放如此巨大的能量,我们必须要先来了解一个公式,即物理学家爱因斯坦提出的质能方程。
E=mc²
核武器为何能释放如此巨大的能量,其实秘密就源于E=mc²
E表示能量,m代表质量,c表示光速,也就是说物质的总能量等于其质量乘以光速的平方
我们可以通过E=mc²计算一个苹果的总能量,假设苹果质量为1kg,
那么苹果总能量E=1kg×299792458 m/s2,
通过质量方程进行计算,我们会发现一个苹果所蕴含的总能量是十分惊人的,甚至比一颗原子弹的能量还要高,那么苹果如此大的能量是从哪里来的呢?
E=mc²,通过这个方程我们可以看出,光速c是不变的,所以c²是一个固定值,那么E和m就是成正比的,也就是说物体的总能量与总质量成正比。
物质释放的能量源于物质质量的减少,换句话说,物质损失的质量是转化成能量释放出去了
这里使用核裂变给大家举个例子
通常核裂变采用的原料是235U,235U是中子数为143,质子数为92的元素铀的放射性同位素,之所以称其为放射性,是因为235U原子核所包含的质子和中子很多,原子核很大,所以它是不稳定的,很容易发生衰变。
如果我们用一个中子去轰击235U的原子核,那么235U的原子核就会被打成两瓣儿,变成钡和氪,然后释放3个中子。
释放的中子会继续轰击235U的原子核,然后继续形成钡和氪、中子,这种链式反应不断的持续下去,在此期间就会释放出巨大的能量,这就是核裂变反应。
核裂变反应的方程式:235U+1n(中子)=137Ba+97Kr+3n(中子)
细心的读者能够发现,我们将核裂变反应前后的质量数相加,质量数等于原子核内质子数加上中子数
235U+1n=236
144Ba+89Kr+3n=236
核裂变反应前后的质量数并没有发生变,那么质量的减少又是从何而来呢?
质量数是质子数与中子数的合,代表的数量,而不是质量,虽然核裂变反应前后的质子与中子的数量没有变化,那么质量肯定是会减少一点点的,减少的质量乘以光速的平方就是核裂变释放出的能量。
核聚变与核裂变是一个原理,区别在于核聚变并不是一个原子核分裂成几个新的原子核,而是几个原子核合成一个新的原子核,这里就不展开讲解了。
核能的无限循环能否实现?
可能有些读者会提出这样一个设想:如果我们先使用核裂变,将原子序数大的元素进行裂变,裂变产生的元素再进行裂变,无限的循环下去,直到裂变形成无法再裂变的原子序数为1的氢元素,然后在使用原子序数为1的氢元素进行无限聚变,循环往复。岂不是能源就可以无穷无尽了吗?
这个想法是很新颖的,但是不可能实现,并不是因为人类的科技水平达不到无限裂变、聚变的程度,而是核聚变和核裂变反应有一个临界值。
也就是说核聚变反应与核裂变反应不可能无限的进行下去,核聚变反应会随着原子序数的不断增加,导致核聚变越来越困难,核裂变反应也是同理,虽然原子序数的减少,核裂变反应也会越来越困难,两者有一个临界值,这个临界值就是铁元素。
当核裂变或者核聚变反应进行到铁元素的时候,反应也就停止了,因为铁元素发生聚变或者裂变并不能再释放能量,反而要从外界汲取能量。
所以才有了这样一句话:老铁,真稳
日本的物理学家曾经进行过一项很无聊的实验,在相对封闭的环境下观察铁元素的衰变情况,物理学家对于铁元素进行了3年的观察,发现在3年期间内铁元素发生衰变不超过3个,而且3个发生衰变的粒子也无法判断是否为铁元素造成的,所以物理学家推论:铁元素是目前已知最稳定的元素,其衰变周期要大于宇宙诞生的年龄,故研究铁元素衰变并不具有现实意义。