83 質(zhì)量隨速度而增大 質(zhì)能關(guān)系

§8.3質(zhì)量隨速度而增大質(zhì)能關(guān)系牛頓力學(xué)學(xué)中慣性性質(zhì)量和和速度的的關(guān)系愛因斯坦坦光速不不變的新新思想幾幾乎影響響了每一一個物理理量：時時間（t）、空間（x）、質(zhì)量（m）等。?恒定外力力慣性質(zhì)量量牛頓第二二運動定定律:狀態(tài)量持續(xù)作用用持續(xù)增大大隨速率增增大而增增大，這要求求的上限是是但質(zhì)量是相相對的，，質(zhì)量隨隨物體運運動速度度的增大大而增大大。理論和實實驗表明明，質(zhì)量量和速度度的關(guān)系系為:顯然時，m0為靜質(zhì)量,反映物體體本身的的屬性,即包含的的物質(zhì)的量量。m為物體的的慣性質(zhì)量量,是相對的的,決定于物物體速度,速度趨于于光速時時，慣性性質(zhì)量為為無窮大大。一、相對對論質(zhì)速速關(guān)系質(zhì)速關(guān)系系反映了了物質(zhì)與運運動的不不可分割割性。右圖曲線線表示質(zhì)質(zhì)量隨速速度增大大情況。。當v=0.1cm增加0.5%%當v=0.866c當vc當v=c(如:光子)例：子以v=0.9c的速度運運動，求求此時的的質(zhì)量為為靜止質(zhì)質(zhì)量的多多少倍？？解：相對論中中：物體受到到恒力F時，加速速度并非非恒定。。物體不會會被加速速到光速速。速度——時間曲線線二、相對對論動量量與動能能相對論動動量相對論動動能三、相對對論的能能量動能：總能：靜能：推導(dǎo)過程程：相對論質(zhì)質(zhì)能關(guān)系系：相對論中中，質(zhì)量量與能量量等效，，質(zhì)量守守恒即能能量守恒恒，質(zhì)量量的變化化意味著著能量的的變化：：。物體的動動能為總總能與靜靜能的差差：當v<<c時，討論(1)質(zhì)能能關(guān)系統(tǒng)統(tǒng)一了質(zhì)質(zhì)量守恒恒定律和和能量守守恒定律律;(2)靜靜能E0=m0c2表征物體體靜止時的總內(nèi)能能;分子間相相互作用用勢能分子運動動動能原子間結(jié)結(jié)合在一一起的化化學(xué)能原子核與與電子結(jié)結(jié)合在一一起的電電磁能原子核內(nèi)內(nèi)基本粒粒子間的的結(jié)合能能每秒鐘太太陽輻射射的能量量，即功功率：解：例：太陽向四四周空間間輻射能能量，每每秒鐘相相應(yīng)的質(zhì)質(zhì)量虧損損若為4.5××109kg，求：太太陽輻射射的功率率。碳的燃燒燒過程可可用以下下方程表表示：求燃燒前前后質(zhì)量量的變化化。例：相對論的的誕生是是人類從從對世界界的片面面認識到到完整認認識的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折。經(jīng)經(jīng)典物理理認識物物質(zhì)的內(nèi)內(nèi)部能量量是以原原子為最最小單位位來研究究的，而而相對論論把粒子子和場結(jié)結(jié)合起來來討論則則包括了了粒子內(nèi)內(nèi)部的所所有結(jié)構(gòu)構(gòu)，因而靜止止能量E0=m0c2是所有內(nèi)內(nèi)部能量量。四、核的的聚變和和裂變太太陽陽能原原子能能1.核的聚變變一個質(zhì)子子和一個個中子結(jié)結(jié)合成一一個較重重的氘核核，它將將釋放出出2.224MeV的的能量..質(zhì)子中子氘核以射線形式式放出這個能量量稱為氘氘核的結(jié)結(jié)合能。。原子能就就是指聚聚變和裂裂變過程程中所釋釋放的能能量。對每個核核，當其其中這些些質(zhì)子和和中子，，由于吸吸引相互互結(jié)合在在一起成成為一個個原子核核的過程程中都有有能量放放出，這這個能量量就是這這個核的的結(jié)合能能。實際結(jié)合合能的計計算，直直接利用用質(zhì)能關(guān)關(guān)系可得：結(jié)合能的的計算實際要用用原子質(zhì)質(zhì)量計算算，可改改為(Mev)u是原原子質(zhì)量量單位，，1u=1.66×10-27(kg))1uc2=931.5((Mev)輕核聚合合成較重重的核釋釋放出能能量的過過程稱為為輕核聚變變。氫-3核核氫-2核核中子氦-4He42+H21n10++能量H31核聚變例:氫彈的爆爆炸過程程可用以以下方程程表示：：求：這一反應(yīng)應(yīng)過程釋釋放出的的能量。。已知以上上各成分分的質(zhì)量量分別為為：氘:2.01360(a..u.))氚氚:3.01600(a..u.))氦:4.00260(a..u.))中中子:1.00867(a.u..)解：(Mev)氫的三種種同位素素及其三三種水質(zhì)子數(shù)111中子數(shù)012同位素氕氘氚氫氧化物普通水重水超重水各種水占百分比99.98%0.016%微量各種水對于生物人體必需死亡之水常用的聚聚變反應(yīng)應(yīng)有下面面4個：核聚變的的產(chǎn)生條條件因為原子核帶正電荷，它們之間會會互相排斥斥。要使聚變發(fā)生,兩個氫核必須以極快的速度靠近，He42+H21n10++能量H31做法法是把氫氣加熱熱到極其高溫度(108C)！使氘核和和氚核有有足夠的的動能接接近到10-15米根據(jù)計算算,聚變變反應(yīng)引引起的太太陽質(zhì)量量減小率率只是3×10-19kg/s,是很很小的量量。目前前太陽處處于“中中年”,,估計太太陽還有有壽命50億年年。對氫原子子核聚變變反應(yīng)的的研究,,可以追追溯到20世紀紀30年年代對太太陽的研研究.1938年物理理學(xué)家證證明,太太陽里進進行的氫氫核聚變變成氮核核的反應(yīng)應(yīng),使它它還能光光芒萬丈丈地燃燒燒幾十億億年.2.太太陽能3.核裂變裂變是質(zhì)量較較大的原原子核在在中子轟轟擊下分分裂成2個新原原子核,,并釋放放出能量量的過程程。比如中子子轟擊鈾鈾235產(chǎn)生核核能裂變產(chǎn)生生的新原原子核質(zhì)質(zhì)量不對對稱,一部分質(zhì)質(zhì)量是90～100,,一部分是是134～144重核裂變變?yōu)閮蓚€個中等核核而釋放放能量的的過程稱稱為重核裂變變。容易計算算出：即一次裂裂變約有有180MeV可資利用用的核能能。鈾235U和钚239Pu是常用的的兩種裂裂變核，，可用做做反應(yīng)堆和和原子彈彈中的核核燃料。。1.裂變產(chǎn)物物通常是是一塊較較重，，一塊較較輕，即即不對稱稱裂變的概概率大。。2.裂變產(chǎn)物物由于相相比它們們的穩(wěn)定定核都是是有多余余電子的，所以以都有-放射性(壽命很長長)，由于原原子核常處于激激發(fā)態(tài)，，所以有有大量射線放出出。因此此對放射性廢廢物的處處理極為為重要。。核裂變有有兩個重重要特征征：原子彈氫氫彈自發(fā)裂變變鈾-235的含含量很少少，例如如天然鈾鈾只含0.714%，，堆放得得也比較較松散，，則每次次裂變放放出的2～3個個中子都都散失到到空間去去了，只只有偶爾爾的1～～2個中中子又能能擊中其其它鈾核核。這樣樣的裂變變反應(yīng)不不會連續(xù)續(xù)不斷地地進行。。天然鈾礦礦就是這這種情況況，一般般每千克克鈾元素素中每秒秒鐘有幾幾個原子子核發(fā)生生裂變，，這叫做做自發(fā)裂裂變。核爆炸如果元素素中的鈾鈾-235的含含量非常常高，如如達90%以上上，而且且堆放得得又很緊緊湊，則則一個鈾鈾的裂變變放出的的2～3個中子子馬上又又會引起起2～3個原子子核裂變變，產(chǎn)生生的4～～9個中中子又引引起4～～9個原原子核裂裂變，放放出8～～27個個中子，，再引起起8～27原子子核裂變變……如此迅速速蔓延，，使裂變變不斷成成倍增長長，如排排山倒海海而來，，十分迅迅猛，能能量釋放放也十分分劇烈。。如果這堆堆鈾有一一定數(shù)量量，例如如幾千克克，就會會發(fā)生核核爆炸，，這就是是原子彈。核裂變的的鏈式反反應(yīng)中子鈾-235核分裂逃逸核反應(yīng)堆堆如果這堆堆鈾堆放放得很巧巧，使得得每個原原子核裂裂變放出出的中子子中恰好好有一個個擊中別別的原子子核發(fā)生生裂變，，而其余余的中子子散失到到空間或或者被其其它物質(zhì)質(zhì)吸收而而不引起起裂變，，那么連連鎖反應(yīng)應(yīng)就會以以穩(wěn)定的的水平維維持不斷斷的進行行下去，，能量平平穩(wěn)釋放放。這種種堆放核核的裝置置就是我我們通常常所說的的核反應(yīng)堆堆。核反應(yīng)堆堆用的核核燃料濃濃度一般般很低,,例如最最常見的的壓水反反應(yīng)堆的的鈾-235濃濃度為3～4%%,比起起原子彈彈90%%的濃度度低的多多得多。。因此，，核反應(yīng)應(yīng)堆是不不可能象象原子彈彈那樣發(fā)發(fā)生核爆爆炸的。。中國導(dǎo)彈彈核潛艇艇氫彈爆炸炸時形成成的冷凝凝云氫彈空中中爆炸的的火球原子彈面對巨大大的爆炸炸，曼哈哈頓工程程負責人人，被稱稱為“原原子彈之之父”奧奧本海默默在核爆爆觀測站站里感到到十分震震驚，他他想起了了印度一一首古詩詩：“漫天奇奇光異彩彩，有如圣靈靈逞威，，只有一千千個太陽陽，才能與其其爭輝。。我是死神神，我是世界界的毀滅滅者?！薄睈垡蛩固固古c西拉拉德起草草信件給給羅斯福福愛因斯坦坦與美國國理論物物理學(xué)家家羅伯特特-奧本本海默，，愛因斯斯坦1933年年移居美美國，在在美國愛愛因斯坦坦幫助開開發(fā)曼哈哈頓島計計劃(即即利用核核的裂變變反應(yīng)制制造原子子彈)。。原子核的的裂變1.裂裂變能的的釋放已提純的235U,準備再加加工為實實彈彈頭頭原子彈和和氫彈美國投到到日本廣廣島的原子彈彈“小男男孩”美國投到到日本長長崎的原子彈彈“胖子子”利用自持持進行的的原子核核裂變或或聚變反反應(yīng)瞬時時釋放的的能量。。原子彈:主要利用或等重原子核的鏈式裂變反應(yīng)原理制成的核武器。槍法原子彈結(jié)結(jié)構(gòu)原理理圖內(nèi)爆法原子彈結(jié)結(jié)構(gòu)示意意圖氫彈結(jié)構(gòu)構(gòu)原理示示意圖氫彈:主要利用用重氫﹑超重氫等等輕原子子核的熱熱核聚變變反應(yīng)原原理制成成的核武武器1945年8月月6日美美國向日日本廣島島投下原原子彈。。此彈重重4082公斤斤，彈長長3.05米，，彈徑0.711米，，裝料為60公斤斤鈾235，當中只只有約1公斤在爆炸中中進行了了核裂變變，釋放放的能量量約相等等于一萬萬三千公公噸的TNT烈烈性炸藥藥，即大大概為5.5×1013焦。被稱稱為““小男孩孩”。原子彈造造成了死死亡7..1萬人人，傷6.8萬萬人，遭遭到破壞壞的總面面積達12平方方公里，，破壞建建筑物5萬余所所。在距離爆爆炸地點點約200米的的半徑內(nèi)內(nèi)，高溫溫及炫目目的光線線使周圍圍的一切切東西被被燒毀或或者褪了了顏色,,強烈的的沖擊波波把燒焦焦的物體體濺到墻墻壁上。。一座繁繁榮的城城市瞬間間變成了了煙霧彌彌漫的廢廢墟。原子彈爆爆炸氫彈爆炸炸時形成成的冷凝凝云核能利用用核聚變能能源的無無可比擬擬優(yōu)點：：（1）能能量巨大大：核聚變比比核裂變變釋放出出更多的的能量。。如鈾235的的裂變反反應(yīng)將千千分之一一的物質(zhì)質(zhì)變成了了能量;;而氘的的聚變反反應(yīng)則將將近千分分之四的的物質(zhì)變變成了能能量。（2）資資源豐富富：重核裂變變使用的的主要原原料是鈾鈾，目前前探明的的儲量僅僅夠使用用約1000年；；而輕核核聚變使使用的燃燃料是海海水中的的氘，1升海水水能提取取30毫毫克氘，，在聚變變反應(yīng)中中能產(chǎn)生生約等于于300升汽油油的能量量，即““1升海海水約等等于300升汽汽油”，，地球上上海水中中就有45萬萬億噸噸氘，足足夠人類類使用百百億年。。

（3）成成本低廉廉：1kg氘氘的價格格只為1kg濃濃縮鈾的的1/40。（4）安安全、無無污染：：核聚變不不產(chǎn)生放放射性污污染物，，萬一發(fā)發(fā)生事故故，反應(yīng)應(yīng)堆會自自動冷卻卻而停止止反應(yīng)，，不會發(fā)發(fā)生爆炸炸?？傊苁芸睾司劬圩兊娜既剂先≈槐M、、用之不不竭，核核聚變能能源將是是21世世紀最理理想的““長壽””能源。。截至2000年年底，全全世界正正在運行行的核動動力堆共共有438座，，總裝機機容量為為351兆千瓦瓦，為提提供的電電力的16%。。而受控核核聚變堆堆有望到到21世世紀中葉葉實現(xiàn)。。法國比利時瑞典日本德國英國美國中國74.6%56.8%39%33.8%30.6%22%20%1.2%各國核電電占總電電力的百百分比核反應(yīng)堆堆需要有慢慢化劑,通過它的的原子與與中子碰碰撞,將快中子子慢化為為熱中子子。費米建立立的第一一個鏈式式裂變反反應(yīng)堆1941年12月，費費米領(lǐng)導(dǎo)導(dǎo)一批物物理學(xué)家家在芝加加哥大學(xué)學(xué)斯塔格格運動場場的西看看臺下建建造世界界上第一一座原子子反應(yīng)堆堆。該反反應(yīng)堆是是用石墨墨層和鈾鈾層相間間堆砌的的,共有有57層層，高6米。核電站示示意圖采用中子慢化技術(shù)——熱中子堆提高鈾燃料中235U的含量——快中子堆2.自自持鏈式式裂變反反應(yīng)（天然鈾鈾52噸噸、高純純石墨1000多噸，，總重1400噸）世界第一一座核反反應(yīng)堆中國第一一座實驗驗用核反反應(yīng)堆外外貌秦山核電電站廣東大亞亞灣核電電站大亞灣核核電站夜夜景鈾的儲量量鈾在陸地地上的儲儲量并不不豐富，，總量不不超過500萬噸，按按目前的的消耗量量，僅夠夠人類使使用幾十十年。在浩瀚的的海水中中，有超超過陸地地幾千萬萬倍的鈾鈾，但其其分布不不集中，，1000噸海水中中僅含有有3克鈾，如如何提取取出來是是一項關(guān)關(guān)鍵性步步驟。目目前在研研究的有有：吸附附法、共共沉淀法法、氣泡泡分離法法、藻類類生物濃濃縮法。。需要指出出的是，，鈾廢料料的放射射性污染染問題是是令人擔擔憂的。。切爾諾貝貝利核電電站1986.4..26,,前蘇聯(lián)的的切爾諾諾貝利核核電站四四號機組組發(fā)生核核泄漏,后果相當當于500顆原子彈彈的當量量,受污染地地區(qū),主要在烏烏