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【科學講堂】核裂變「質能兌換」釋洪荒之力

2018-01-17

愛因斯坦相對論 提供牢固理論基礎

近日的國際舞台有點兒風起雲湧,今天我們就談一談其中的一個重要「角色」-核子武器。

創著名公式E = mc2 去信美總統促「曼克頓計劃」

能量對人類的生活十分重要,因此隨茪憍的發展,一直在開發及利用一種又一種更強大、更方便的能源。人類祖先進入農耕社會,其實是在利用從植物的光合作用收集到的太陽能。

後來人類發現了石油和煤這些化石能源,利用在地底累積了數千萬年的能量庫存。蒸汽機善用這些化石能源、把它們轉化為動力,推動了西方工業革命的急促發展。

其後,基於法拉第(Michael Faraday)、麥克斯韋(James Maxwell)、愛迪生(Thomas Edison )、特斯拉(Nikola Tesla)等科學家的努力,電能被廣泛利用去改善生活。到了20世紀,愛因斯坦(Albert Einstein )的相對論為理解及應用核能提供了牢固的理論基礎。

愛因斯坦的著名方程式,E = mc2,當中的c代表光速,是一個不變的數值,因此這個方程式其實是在告訴我們,能量(E)跟質量(m)是可以互換的,而當中的c2就是「兌換率」。(這就好比7.8這個數字可以幫我們把美金轉換成港幣一樣。)

在一些原子核之間的反應中,「原材料」的總質量比「製成品」的總質量大,看來是有些質量在這些核子反應中消失了。這些消失了的質量,就是轉化成能量釋放到四周環境中。c2是一個很大的數值,因此很小的質量就能變成龐大的能量。

中子撞原子核引發連鎖反應

一些元素的原子核,例如鈾-235(uranium-235),由較多的質子(proton)和中子(neutron )組成,並不是很穩定,因此當一顆中子擊中一個鈾-235原子核,這個原子核就會「被擊碎」成其他較小的原子核,同時釋放出幾枚中子。這個過程我們稱為「核裂變」(nuclear fission )。

這可以是一個很可怕的過程。如果有一些鈾-235原子核聚在一起,那麼第一次核裂變中釋放出來的中子就會擊中附近的其他鈾-235原子核,引發另一輪的核裂變;當然其後產生的中子又會誘發再一輪的核裂變,如此類推,所引發的連鎖反應就會釋放出極龐大的能量。

這就是原子彈(atomic bomb)(包括投到日本長崎和廣島、用以結束第二次世界大戰的那兩枚)的基本原理。

第二次世界大戰期間,科學家們早已意識到核子反應的威力。可能是有感於戰況激烈、擔心德軍也會發展核子武器,在1939年兩位熟悉核子反應的科學家,愛因斯坦及西拉德(Leo Szilard),給當時的美國總統羅斯福寫了一封信,指出核武的可能性,並建議美國動用資源,研究如何製作第一個原子彈。

羅斯福總統最後接納提議;這就是有名的曼克頓計劃(Manhattan Project )的由來。

小 結

人類發現了一種新能源,卻不可避免地開啟了另一條自相殘殺的路徑。下一次再跟大家討論氫彈這種核武,以及核武對我們的影響。 ■張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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