核裂变发现之前,爱因斯坦是如何知道原子核内

2019-05-28 作者:科学研究   |   浏览(169)

看上去确实有点像一个因果关系的话题,但事实上质能方程和原子核里有巨大的能量并不是各位想像的那种关系,而是爱因斯坦在洛伦兹变换以及两个基本假设:光速不变和惯性参考系中的物理定律都是相同的前提下推导出了狭义相对论的公式,阐述了质量与能量之间的关系!

这几天我们谈论的很多经典公式、论战、实验都离不开爱因斯坦,爱因斯坦的确是科学史上最最伟大的科学家之一。而提到爱因斯坦,则不能忽略他的质能公式,这个被誉为世界十大经典公式之一的质能公式,很多人说它的副产品就是原子弹。那么没有质能公式,就造不出原子弹吗?

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狭义相对论是爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》一文中提出的,当时距离1939年9月份著名的科学家玻尔和惠勒二人从理论上阐述了核裂变反应过程还有整整34年时间!那么早在1905年的爱因斯坦狭义相对论中浓缩的精华质能方程E=mc^2是如何得来的呢?

其实质能公式是无法造出原子弹的,质能公式只是给原子弹制造提供了一个理论依据。接下来我们来聊聊原子弹的发展史。

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首先,第一个不能忽略的人是约瑟夫·约翰·汤姆逊,他说第三任卡文迪许实验室主任,卡文迪许实验室可以说是科学家的天堂,从1904年至1989年的85年间一共产生了29位诺贝尔奖得主,其科研效率之惊人,成果之丰硕,举世无双。在鼎盛时期甚至获誉“全世界二分之一的物理学发现都来自卡文迪许实验室。”。

上图为质能方程的推导过程,前面都是速度与质量以及能量之间的关系(Ek=Fds,熟悉不?动能定理而已),过程并不复杂,但涉及积分可能很多朋友就看得云里雾里,或者直接跳到最后部分即可:

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而汤姆逊最大的贡献就是在1897年发现了电子,电子的发现打开通向基本粒子物理学大门,而电子的发现也证明了原子并非不可分割,电子的发现具有划时代的意义,它说明原子并非“不可分割”,原子必然存在内部结构,人们必将冲破千百年来认为原子是组成物质的最小单元的陈旧观念,而去了解物质结构更深的层次。

个中真正的含义是能量等于物体运动中的能量减去静止时的能量,但这个有一个前提,质量是会随着速度增加而增加的,因此洛仑兹变换中的质增效应公式必须要理解一二!

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jin2055金沙网站,可以说正是汤姆逊发现了电子将经典物理学引向了新物理学,从而让科学家们开始从宏观世界开始转向探索微观世界。

质增效应曲线,在物体接近光速时候,质量将趋向于无穷大,因此洛仑兹变换是质能方程中的一个重要基础!

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在此之后,原子核物理学之父,继法拉第之后最伟大的实验物理学家(注意爱因斯坦是理论物理学家)卢瑟福在1910年进行了震惊世界的α粒子散射实验,他通过α粒子为物质所散射的研究,无可辩驳的论证了原子的核模型,因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道,他在这个实验中发现了原子并非不可变,放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子,而这是一般物理和化学变化所达不到的。

这是高速运动中的动质量,理解了这点之后,E=MC^2自然推导出来了!我们从中可以看到,这个过程与什么原子核、裂变屁关系都没有!但1939年玻尔和惠勒阐述的核裂变反应过程也遵循了这个公式,从这一点上你是不是得膜拜下爱老头?当然你还得崇拜下洛仑兹老爷子!

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卢瑟福的这一个发现为原子物理学的创立做了开创性的工作,也让原子能的研究开始提上了议程。

大神云集的一张照片,各位是否有话要说?

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而卢瑟福的学生查德威克发现了中子,成为了原子能研究的起点,后来,意大利物理学家费米用中子作“炮弹”轰击铀原子核,发现了核裂变和裂变中的链式反应,开创了人类利用原子能的新时代。

U235捕获一个中子后裂变的过程,当然上图比较理想化,因为还有一个临界质量才能让中子在飞出U235块前碰撞到下一个原子核而产生链式反应!U235的热中子能量约207MeV,根据质能转换公式U235原子质量彻底转换能量后为931.5MeV,裂变的损失约占207/931.5/235≈0.0946%,另有中微子的能量难以利用,大约有12MeV,因此一般都是200MeV作为核裂变的能量计算值!

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还有很多朋友认为原子弹也是爱因斯坦领导制造,其实这完全是误解,只不过爱因斯坦牵头向罗斯福写了封建议研究核裂变武器的信而已!因为纳粹德国已经开始研究了,假如美国再不深入此领域的话,一旦被德国率先掌握对世界将绝对是一场灾难!当然结果大家也知道了,并且也有很多谣言说明爱因斯坦后悔研究核武器等,其实和他还真只有半毛钱关系,所以他无论做与不做,原子弹这些原子核内的能量武器都会成功,E=MC^2也只是一个理论指导实践或者实践领先理论的一事两面而已!

1938年,德国科学家奥托哈恩以及斯特拉斯曼在通过中子撞击铀原子核实验中,发现铀原子核竟然能分裂成两个其它元素原子核,这也是人类首次确认原子核可以分裂。1939年初,德国化学家O.哈恩和物理化学家F.斯特拉斯曼发表了铀原子核裂变现象的论文。几个星期内,许多国家的科学家验证了这一发现,并进一步提出有可能创造这种裂变反应自持进行的条件。从而让科学家们意识到造出原子弹的可行性。

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哈恩

也就在这个时候,物理学家N.H.D.玻尔和他的合作者J.A.惠勒从理论上阐述了核裂变反应过程,并指出能引起这一反应的最好元素是同位素铀235。 可以说玻尔与惠勒的的研究成果直接为原子弹的制造提供了夯实的基础。

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爱因斯坦 汤川秀树 惠勒

在玻尔与惠勒合作开发的液滴模型中,原子核包括了中子和质子,呈液滴状。当另一个蜕变核中的中子发射出来击中这个“液滴”,它就会开始剧烈振动,并逐渐拉升成花生状,最终一分为二。是不是有点像原子弹爆炸时的情景~

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这个时候,我们就要聊到了质能方程在其中起到了什么作用呢?

质能公式是1905年爱因斯坦提出的一个质能转换方程,是在狭义相对论中提出。其中,E是能量,单位是焦耳。M是质量,单位是千克。C是真空中光速,c=299792458m/s

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根据狭义相对论,质量随速度增加而增加,我们知道动能也随速度增加而增加,那么质量不也正是随动能增加而增加么?为了满足狭义相对论的两条原理(相对性原理和光速不变原理),可以推算出所增加的质量乘以光速的平方正好等于物体的动能,即ΔE=Δm*c^2.进而把结论推广为E=m*c^2.通过质能方程可以计算正物质与反物质的湮灭能量,比如一个正电子质量m,反电子质量必然也为m,正反电子相遇后湮灭,产生的能量为2m*c^2,即2m的质量全部转化为了能量。

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可以说,爱因斯坦提出质能方程其实和原子能并没有什么关系,他提出质能方程是为了建立物理学中关于质量和能量联系,好解释他的狭义相对论,因为在经典物理学里,质量和能量是两个不搭边的概念,也没有公式能够将它们联系起来。

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