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《烽火小軍醫》第649章 裂變
“以後如果我們到了外太空，肯定會接觸到高端的武器，我們不如說一下武器相關吧?”
四號看著他們說道。
“這讓我想到了種子。”
李思特說道。
“什麽是中子?”
四號問道。
“你讀書的時候，化學老師是體育老師教的嗎?”
李思特朝著四號翻白眼道。
“我學習的可是土木工程，就算學過那也是交給老師了。”
四號不以為然地說道。
“中子是存在於氫以外的一切原子核中的基本粒子。
中子無電荷，質量稍大於質子。
在原子核外，一個中子將衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子。
中子是重子族的成員，每個中子由三個誇克構成。”
李思特淡定地說道。
“這讓我想到了中子星。”
虛妄說道。
“給我們說說。”
四號問道。
“中子星，幾乎完全由中子構成、具有原子核密度的恆星。
這樣一顆恆星含有與太陽大致相同的質量，卻被壓縮成一個直徑約10公裡的球。”
虛妄說道。
“有什麽歷史嗎?”
楚雲問道。
“1930年代初的時候，薩布拉曼揚·錢德拉塞卡發現，恆星核燃料消耗完後形成的白矮星的質量若大於太陽質量的大約1.4倍，就無法支撐自身來對抗引力坍縮。
由此得出當時引起極大爭議的結論是，任何已經死亡的恆星若仍含有大於這個錢德拉塞卡極限的質量，將無限制地坍縮成為今天稱之為黑洞的東西。”
虛妄解釋道。
“我記得，中子在1932年被發現後，一些物理學家和天文學家立刻開始思考存在完全由中子構成、密度介於白矮星和恆星質量黑洞之間的恆星的可能性，並且猜測這種恆星的質量可能有一個上限。”
五號補充道。
“當時物理學家列夫·朗道認為所有恆星都可能含有中子內核，但隨後的計算證明，如果恆星內核的中子化真的開始，那將是恆星內區突然坍縮、並在一次爆炸中釋放大量引力能的失控過程。”
李思特說道。
“這一結果和弗裡茨·茲威基關於中子星可能形成於超新星爆發的觀點頗為一致。”
五號說道。
“到了1930年代末，所有這些思想，還有羅伯特·奧本海默和他的學生喬治·弗爾科夫的計算，都已公開發表。”
虛妄補充道。
“還有，奧本海默和弗爾科夫的計算證明中子星的質量確有上限，現在稱為奧本海默-弗爾科夫極限。
任何死亡後的恆星若含有多於3倍太陽的質量，必將無止境地坍縮。”
李思特說道。
“然而多數天文學家直到1/4世紀後才認真對待這一有關中子星的思想，而1960年代中期偶然發現的脈衝星終於使他們確信中子星真的存在。”
吳剛說道。
“你對這還有一些了解?”
四號看著吳剛問道。
“我物理和化學老師可喜歡我了。”
吳剛說道。
“這好像是天文系吧?”
楚雲問道。
“我大學的時候，有選修天文。”
吳剛說道。
“算我沒說。”
楚雲說道。
“現在人們已經承認這些超密恆星確實形成於超新星爆發。
超新星爆發時的強大壓力可以造就質量小到隻及太陽質量1/10的中子星。
任何質量更小的恆星在試圖成為中子星的過程中將變成小白矮星，因為有些中子通過β衰變轉化為質子。”
五號說道。
“某些中子星可能是質量接近錢德拉塞卡極限的白矮星演變而成的，如果後者吸積足夠的多余物質，使得質量超過這一極限的話。”
吳剛說道。
“我記得，中子星有一個鐵和類似元素構成的外殼，它的下面是正常中子區。
再往下則是流體區，其主要成分是超流中子。
還可能有一個誇克組成的中心內核。”
虛妄說道。
“但你們不要忘記了，中子星物質的密度是白矮星的100萬倍，水的1 000萬億倍，所以每立方厘米中子星物質重達10億噸左右。”
李思特看著他們說道。
“真厲害，不如我們來說一下核裂變吧，這和中子也有關。”
李思特說道。
“核裂變是一個重原子的核分裂為兩個或更多部分、並在分裂時釋放能量和兩到三個自由中子的過程。”
四號說道。
“說到核裂變，你到是很清楚。”
李思特說道。
“我只是從新聞到看到的比較多。”
四號朝著李思特翻白眼道。
“你們要知道，裂變釋放能量是因為原子核中質量-能量的儲存方式以鐵及相關元素的核的形態最為有效。
從最重的元素一直到鐵，能量儲存效率基本上是連續變化的。
所以，重核能夠分裂為較輕核的任何過程在能量關系上都是有利的。”
虛妄說道。
“這個怎麽說?”
四號問道。
“如果較重元素的核能夠分裂並形成較輕的核，就會有能量釋放出來。
然而， 很多這類重元素的核一旦在恆星內部形成，即使在形成時要求輸入能量，它們卻是很穩定的。”
五號說道。
“怎麽說?”
楚雲問道。
“那是因為，不穩定的重核，比如鈾-235的核，可以自發裂變。
快速運動的中子撞擊不穩定核時，也能觸發裂變。
由於裂變本身釋放分裂的核內中子，所以如果將足夠數量的放射性物質堆在一起，那麽一個核的自發裂變將觸發近旁兩個或更多核的裂變，其中每一個至少又觸發另外兩個核的裂變，依此類推而發生所謂的鏈式反應。”
虛妄說道。
“如果我的記憶沒有錯的話，你說的這就是稱之為原子彈和用於發電的核反應堆的能量釋放過程。”
五號說道。
“對於核彈，鏈式反應是失控的爆炸，因為每個核的裂變引起另外好幾個核的裂變。
對於核反應堆，反應進行的速率用插入鈾堆的可吸收部分中子的物質來控制，使得平均起來每個核的裂變正好引發另外一個核的裂變。”
虛妄說道。
“能夠舉例說明嗎?”
楚雲問道。
“1千克鈾-235的全部核的裂變將產生20 000兆瓦小時的能量，足以讓20兆瓦的發電站運轉1 000小時，與燃燒300萬噸煤釋放的能量一樣多。”
五號解釋道。
“你們真厲害，現在大多數都是核聚變發電了。”
楚雲說道。
“我們說的是核裂變。”
四號朝著楚雲翻白眼道。
“……”
四號看著他們說道。
“這讓我想到了種子。”
李思特說道。
“什麽是中子?”
四號問道。
“你讀書的時候，化學老師是體育老師教的嗎?”
李思特朝著四號翻白眼道。
“我學習的可是土木工程，就算學過那也是交給老師了。”
四號不以為然地說道。
“中子是存在於氫以外的一切原子核中的基本粒子。
中子無電荷，質量稍大於質子。
在原子核外，一個中子將衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子。
中子是重子族的成員，每個中子由三個誇克構成。”
李思特淡定地說道。
“這讓我想到了中子星。”
虛妄說道。
“給我們說說。”
四號問道。
“中子星，幾乎完全由中子構成、具有原子核密度的恆星。
這樣一顆恆星含有與太陽大致相同的質量，卻被壓縮成一個直徑約10公裡的球。”
虛妄說道。
“有什麽歷史嗎?”
楚雲問道。
“1930年代初的時候，薩布拉曼揚·錢德拉塞卡發現，恆星核燃料消耗完後形成的白矮星的質量若大於太陽質量的大約1.4倍，就無法支撐自身來對抗引力坍縮。
由此得出當時引起極大爭議的結論是，任何已經死亡的恆星若仍含有大於這個錢德拉塞卡極限的質量，將無限制地坍縮成為今天稱之為黑洞的東西。”
虛妄解釋道。
“我記得，中子在1932年被發現後，一些物理學家和天文學家立刻開始思考存在完全由中子構成、密度介於白矮星和恆星質量黑洞之間的恆星的可能性，並且猜測這種恆星的質量可能有一個上限。”
五號補充道。
“當時物理學家列夫·朗道認為所有恆星都可能含有中子內核，但隨後的計算證明，如果恆星內核的中子化真的開始，那將是恆星內區突然坍縮、並在一次爆炸中釋放大量引力能的失控過程。”
李思特說道。
“這一結果和弗裡茨·茲威基關於中子星可能形成於超新星爆發的觀點頗為一致。”
五號說道。
“到了1930年代末，所有這些思想，還有羅伯特·奧本海默和他的學生喬治·弗爾科夫的計算，都已公開發表。”
虛妄補充道。
“還有，奧本海默和弗爾科夫的計算證明中子星的質量確有上限，現在稱為奧本海默-弗爾科夫極限。
任何死亡後的恆星若含有多於3倍太陽的質量，必將無止境地坍縮。”
李思特說道。
“然而多數天文學家直到1/4世紀後才認真對待這一有關中子星的思想，而1960年代中期偶然發現的脈衝星終於使他們確信中子星真的存在。”
吳剛說道。
“你對這還有一些了解?”
四號看著吳剛問道。
“我物理和化學老師可喜歡我了。”
吳剛說道。
“這好像是天文系吧?”
楚雲問道。
“我大學的時候，有選修天文。”
吳剛說道。
“算我沒說。”
楚雲說道。
“現在人們已經承認這些超密恆星確實形成於超新星爆發。
超新星爆發時的強大壓力可以造就質量小到隻及太陽質量1/10的中子星。
任何質量更小的恆星在試圖成為中子星的過程中將變成小白矮星，因為有些中子通過β衰變轉化為質子。”
五號說道。
“某些中子星可能是質量接近錢德拉塞卡極限的白矮星演變而成的，如果後者吸積足夠的多余物質，使得質量超過這一極限的話。”
吳剛說道。
“我記得，中子星有一個鐵和類似元素構成的外殼，它的下面是正常中子區。
再往下則是流體區，其主要成分是超流中子。
還可能有一個誇克組成的中心內核。”
虛妄說道。
“但你們不要忘記了，中子星物質的密度是白矮星的100萬倍，水的1 000萬億倍，所以每立方厘米中子星物質重達10億噸左右。”
李思特看著他們說道。
“真厲害，不如我們來說一下核裂變吧，這和中子也有關。”
李思特說道。
“核裂變是一個重原子的核分裂為兩個或更多部分、並在分裂時釋放能量和兩到三個自由中子的過程。”
四號說道。
“說到核裂變，你到是很清楚。”
李思特說道。
“我只是從新聞到看到的比較多。”
四號朝著李思特翻白眼道。
“你們要知道，裂變釋放能量是因為原子核中質量-能量的儲存方式以鐵及相關元素的核的形態最為有效。
從最重的元素一直到鐵，能量儲存效率基本上是連續變化的。
所以，重核能夠分裂為較輕核的任何過程在能量關系上都是有利的。”
虛妄說道。
“這個怎麽說?”
四號問道。
“如果較重元素的核能夠分裂並形成較輕的核，就會有能量釋放出來。
然而， 很多這類重元素的核一旦在恆星內部形成，即使在形成時要求輸入能量，它們卻是很穩定的。”
五號說道。
“怎麽說?”
楚雲問道。
“那是因為，不穩定的重核，比如鈾-235的核，可以自發裂變。
快速運動的中子撞擊不穩定核時，也能觸發裂變。
由於裂變本身釋放分裂的核內中子，所以如果將足夠數量的放射性物質堆在一起，那麽一個核的自發裂變將觸發近旁兩個或更多核的裂變，其中每一個至少又觸發另外兩個核的裂變，依此類推而發生所謂的鏈式反應。”
虛妄說道。
“如果我的記憶沒有錯的話，你說的這就是稱之為原子彈和用於發電的核反應堆的能量釋放過程。”
五號說道。
“對於核彈，鏈式反應是失控的爆炸，因為每個核的裂變引起另外好幾個核的裂變。
對於核反應堆，反應進行的速率用插入鈾堆的可吸收部分中子的物質來控制，使得平均起來每個核的裂變正好引發另外一個核的裂變。”
虛妄說道。
“能夠舉例說明嗎?”
楚雲問道。
“1千克鈾-235的全部核的裂變將產生20 000兆瓦小時的能量，足以讓20兆瓦的發電站運轉1 000小時，與燃燒300萬噸煤釋放的能量一樣多。”
五號解釋道。
“你們真厲害，現在大多數都是核聚變發電了。”
楚雲說道。
“我們說的是核裂變。”
四號朝著楚雲翻白眼道。
“……”
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