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核能|前方核能：1g核反应物，能炖熟多少牛肉？

原子核核能牛肉核裂变核反应

核能|前方核能：1g核反应物，能炖熟多少牛肉？
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（来源：搜狗百科）
莫慌 ， 这次是真核能！
都21世纪了 ， 就别再谈核色变啦；
不如 ，
用核能来炖个牛肉呗 。
一部核能史 ， 串出一部近代物理学史
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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 R?ntgen ， 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” 。
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（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？
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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
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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 。
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（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？
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（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？
【核能|前方核能：1g核反应物，能炖熟多少牛肉？】那我们一起开算吧 。
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（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 。
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（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 。
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（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
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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？
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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：
下面 ， 我们要做几个理想情况的假设——
1 ， 假设原子核100%反应；
2 ， 假设核能转化为热能时不产生其他能量散失 ， 转化效率也是100%；
3 ， 假设采用核能加热牛肉时 ， “火候”能量均匀、时间把控精准 ， 牛肉各部位薄厚均匀 ， 且均同时达到一定温度；
4 ， 考虑到如果是炖牛肉 ， 需要先加热水和锅；如果是烤牛肉 ， 还要在漆黑的夜晚温暖周围的空气 。 因此假设能量损耗能达到30%；
5 ， 同时 ， 不考虑比如制备氚的能量消耗、产生裂变中子的能量消耗以及其他各种恼人的核反应条件 。
下面 ， 就是揭晓答案的时刻————
1g氘和氚能炖熟多少牛肉呢？
1g铀又能炖熟多少牛肉呢？
这样看来 ， 1g核反应物产生的核能能炖上千吨牛肉 。
所以 ， 核能炖牛肉 ， 必然真香！
而且 ， 核聚变产物更加清洁 ， 炖出的牛肉也会干净纯香！十里飘香！
核能|前方核能：1g核反应物，能炖熟多少牛肉？
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（来源：搜狐网）
写在最后的话——
边学边玩 ， 开心为主 。
如有雷同 ， 纯属巧合 。 如有疏忽 ， 不吝赐教 。
祝大家牛气冲天、牛年大吉！
2021年实现火锅自由、烤串自由、牛排自由！
参考文献：
[1]百度百科：核能.
[2]百度百科：核裂变.
[3]百度百科：核聚变.
[4]https://www.zhihu.com/question/314325813/answer/614484289.
[5]常用食品比热.
[6]李会超.“核能”的威力[J].百科探秘(航空航天),2021(Z1):62-67.
[7]张岩峰.核聚变[J].中国科技术语,2020,22(06):112.
[8]王建强,戴志敏,徐洪杰.核能综合利用研究现状与展望[J].中国科学院院刊,2019,34(04):460-468.
[9]俞微微.计算猪肉、牛肉和鳕鱼的热物理性质的经验公式[J].大连水产学院学报,2000(01):50-54.
编辑：夏至


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