質能互換與核能
核反應遵守條件
質量數守恆
即質子與中子數量的總和 反應前後不變
即左上角的數字總和守恆
電荷數守恆
質子帶正電
電子帶負電
中子不帶電
核反應前後總電荷數守恆
左下角數字總和守恆
質能守恆
核反應前後
質量與能量可以互相轉換
若反應前後總質量減少
反應後的總質量增加
若反應前後總能量減少
則反應後的總質量將增加
質能互換公式
E = mC²
m為減少的質量
C = 3×10⁶ [m/s]
核反應的種類
核分裂
原子核可能因為外來粒子的撞擊
或自發性分裂成數個較小的原子核
核分裂可放出巨量能量
1克的鈾235完全分裂可產生數百億焦耳的能量
10¹⁰J = 10GJ
核分裂反應式舉例
質量數守恆
265+1 = 141+92+b
電荷數守恆
92+0 = 56+36+a
b=3 a=0
故x = 3n
即三個中子
質能守恆
反應前後總質量將減少
優點
燃料體積小 產能大
具有穩定安全存量
不產生溫室氣體
減少空氣汙染
缺點
燃料存量不豐
核分裂生成物具有放射性
儲存不易 對環境影響甚大
人類歷史上核電廠災害少 但造成重大危害
核融合
在高溫條件下
兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核
核融合更有效的放出能量
1克的反應物氘和氚完全融合可釋放數千億焦耳的能量
10¹¹ J = 0.1TJ
核融合反應式舉例
質量虧損只有0.1%
質量數守恆
2+3 = 4+d
d=1 c=0
電荷數守恆
1+1=2+c
故x=n
即一個中子
質能守恆
反應前後總質量將減少
優點
產生的能量遠大於核分裂
生成物無空氣汙染 無放射性危害
燃料存量豐富
氘可在海水取得
氚可由中子撞擊鋰核得到
f=4 e=2
x=He
缺點
溫度甚高(0.1B度) 科學家利用磁場裝載高溫燃料
發電成本及技術無法商轉
核衰變
α衰變
具有放射性的原子核(母核x)會自發的放出一個α粒子(氦核)
並產生一個子核(Y) 同時放出大量能量
A=4+h Z=2+g
h=A-4 g=Z-2
β衰變
具有放射性的原子核(母核x)惠姿發的放出一個β粒子(電子)
並放出一個子核(Y) 同時放出大量能量
β衰變前後
質子數加中子數總和不變
質子數增加
中子轉變為質子+電子+反微中子
最簡β-衰變
β衰變無法以重力 電磁力 強核力解釋
發現弱核力
反微中子是微中子的反粒子
電子 夸克 微中子均為基本粒子
均有反粒子(正子 反夸克 反微中子)
γ衰變
核反應因質量減少而放出大量能量
使生成的子核處於高能階激發態(Y')
處於激發態的子核(Y')將躍遷至基態的子核(Y)
並放出高能電磁波 即γ射線
帶負電的電子繞著帶正電的原子核旋轉
力學能為不連續的數值 稱為原子能階
原子核內部能量也呈現不連續 稱為原子核能階
相較於原子能階 其值甚大