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在学校化学实验偷玩过火柴的人都知道
化学反应伴随着能量的产生
炭火就是一个完美可控的例子
用燃烧的火柴轻轻一点煤炭就能释放能量
持续数小时
更加离谱的是
一根雷管爆炸所释放的能量和煤炭释放的能量相当
只不过前者释放的速度更快罢了
能量不是来自燃着的火柴或导火索
而是来自他们体内储存的能量
最重要的一点是
如果反应过程中有能量放出
那么反应产物的总质量必须小于物体开始时的质量
下面我们讲述最后一个通过化学反应释放能量的例子
假设坐在一个充满氢分子和氧分子的房间里
我们可以畅快呼吸
并且这里看起来非常安全和舒适
因为需要一定的能量才能把氢分子中的两个氢原子拆分开
它们紧紧结合在一起
这似乎表明
氢气分子应该是一种稳定的物质
然而
氢气可以通过化学反应分解
并能产生大量能量
因此
氢气非常危险
它在空气中极易燃烧
一个小火花就能引发灾难
有了这些新概念
我们可以更详细的分析这个过程了
假设我们把氢分子气体由两个氢原子结合而成和氧分子气体由两个氧原子结合而成混合在一起
现在
当你坐在房间里
发现两个氢分子和一个氧分子的总质量大于两个水分子的总质量
而每个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成时
你就会变得非常紧张
换句话说
以分子形式出现的四个氢原子和两个氧原子的质量要比两个h二o分子大多出的质量约为六EV除以c平方
因此
氢分子和氧分子更倾向于被重新排列成两个水分子
不同之处在于原子以及里面的电子的构型
表面上看
一个重新排布结构的分子所释放的能量很小
但是这个充满气体的房间包含了十的二十六次方个分子
这里有相当于大约一千万焦耳的能量
这些能量足以将人化成灰
幸运的是
虽然反应后的总质量比初始质量小
但还需要一些努力才能将它们以及相关电子放进正确的构型中
这有点像把一辆巴士推下悬崖的过程
巴士需要一些能量才能启动
但它一旦启动
这个过程就无法阻止
因此
此时在房间中玩火柴是非常愚蠢的行为
因为火柴放出的能量可以触发分子重组过程
从而开启水的生产过程
通过重组原子来释放化学能
或通过移动周围的重物来释放重力能
比如水电站中大量的水为我们的文明提供了生产和驾驭能源的手段
同时
我们越来越善于获取自然界丰富的动能资源
在呼啸的风中
空气分子迅速流动
我们通过安装风力涡轮机
将这种狂野的动能转化为有用的能量
分子撞击涡轮的叶片
结果分子减速
将动能传递给涡轮
涡轮开始旋转
顺便说一下
这是一个动能守恒的例子
通过这种方式
风的动能转化为涡轮的旋转动能
进而为发电机提供了动力
利用海洋能的方式与之大致相同
只是在这种情况下
大量水分子的动能转化为了有用的能量
从相对论角度来看
所有形式的能量都对质量有影响
想象一个大盒子
里面装满了飞来飞去的鸟儿
把盒子放在一套磅秤上称量
从而可以得到鸟和盒子的总质量
但是
由于鸟儿在四处飞动
它们有一定的动能
因此箱子的总重量会比鸟儿都睡着时重一点点
从史前时代起
化学反应释放的能量就一直是人类文明的主要动力源泉
一定数量的酶
由或氢所能释放能量的多少
本质上是由电磁力的强度决定的
因为正是这种力决定的原子和分子结合的强度
这种结合在化学反应中被破坏
被改造
然而
自然界中还存在另一种力
能从给定数量的燃料中释放出更多能量
原因仅仅因为更强大
原子的深处是原子核
一堆质子和中子
它们被强大的核力粘合在一起
与原子核
分子的情况一样
粘在一起的核子也需要用力才能拉开
并且原子核的质量同样小于组成它的质子和中子的总质量
完全类似于化学反应
我们会想
是否可以使原子核产生特定的相互作用
从而使质量差转化为有用的能量并释放出来
打破化学键并释放原子中储存的能量
就像点燃火柴一样容易
但释放原子核中的能量完全是两码事
它通常很难获取
并且需要一些精妙仪器
不过
也并非总是这样
有时候核能会自然自发的释放出来
并对地球造成极其重要的影响
后果往往出人意料
元素油有九十二个质子
其最稳定的存在形式有一百四十六个中子
这种油的半衰期约为四十五亿年
也就是说
在四十五亿年后
一块油中的一半原子会自发分裂成较轻的元素
这些元素中最重的是铅元素
同时
油分裂的同时释放出能量
根据e等于MC平方
铀原子核分裂成两个较氢原子核的过程中
生产的两个总质量比铀原子核的质量要小
这种质量的损失以核能的形式显示出来
这种重原子核分裂成两个轻原子核的过程称为核分裂
除了一百四十六个中子的形式
油还有一种不太稳定的存在形式
这种油含有一百四十三个中子
它分裂时会产生另一种形式的铅
并且半衰期为七点零四亿年
这些元素可以用来精确测定几乎与地球年龄一样古老的岩石的年龄
地球年龄大约有四十五亿年
地项技术非常简单
有一种被称为锆石的矿物
它能将油自然的结合到它的晶体结构中
恰恰对铅它却不能
因此可以假定矿物中存在的所有铅都来自油的放射性衰变
这样通过简单的计算存在的铅和数量
加上知道的油的衰变率
就可以精确的测量出锆石的形成时间
此外
油分裂时产生的热量在保持地球温度方面也起着至关重要的作用
这种热量为板块运动和高山隆起提供的动力
如果没有这种来自核能的动力
那么土地将会永远遭受自然的侵蚀而崩塌入海
有关核裂变的问题到此为止
下面我们近距离审视下原子核
进一步了解其储存的能量
认识下释放核能的另一个重要过程
核聚变