今天和大家聊一聊世界上最穩定的元素是什么?不過這篇文章是從物理角度進行講解的,并非化學角度,所以本文提到的穩定并不是指元素的化學性質是否活潑,而是指元素的衰變周期的長短,在講解這個問題之前,我們需要先來簡單的了解一下:核聚變和核裂變
核武器是目前世界上威力最大的武器,很多讀者表示好奇:為何看起來質量、體積都不是很大的一枚炸彈,竟然可以在爆炸時釋放出足以毀滅一個城市的恐怖力量,這遠遠超出了我們對于武器的認知,所以難免會引發我們對于核武器爆炸機制及原理的好奇。
想要了解核武器為何能釋放如此巨大的能量,我們必須要先來了解一個公式,即物理學家愛因斯坦提出的質能方程。
核武器為何能釋放如此巨大的能量,其實秘密就源于E=mc2
E表示能量,m代表質量,c表示光速,也就是說物質的總能量等于其質量乘以光速的平方
我們可以通過E=mc2計算一個蘋果的總能量,假設蘋果質量為1kg,
那么蘋果總能量E=1kg×299792458 m/s2,
通過質量方程進行計算,我們會發現一個蘋果所蘊含的總能量是十分驚人的,甚至比一顆原子彈的能量還要高,那么蘋果如此大的能量是從哪里來的呢?
E=mc2,通過這個方程我們可以看出,光速c是不變的,所以c2是一個固定值,那么E和m就是成正比的,也就是說物體的總能量與總質量成正比。
物質釋放的能量源于物質質量的減少,換句話說,物質損失的質量是轉化成能量釋放出去了
通常核裂變采用的原料是235U,235U是中子數為143,質子數為92的元素鈾的放射性同位素,之所以稱其為放射性,是因為235U原子核所包含的質子和中子很多,原子核很大,所以它是不穩定的,很容易發生衰變。
如果我們用一個中子去轟擊235U的原子核,那么235U的原子核就會被打成兩瓣兒,變成鋇和氪,然后釋放3個中子。
釋放的中子會繼續轟擊235U的原子核,然后繼續形成鋇和氪、中子,這種鏈式反應不斷的持續下去,在此期間就會釋放出巨大的能量,這就是核裂變反應。
核裂變反應的方程式:235U 1n(中子)=137Ba 97Kr 3n(中子)
細心的讀者能夠發現,我們將核裂變反應前后的質量數相加,質量數等于原子核內質子數加上中子數
235U 1n=236
144Ba 89Kr 3n=236
核裂變反應前后的質量數并沒有發生變,那么質量的減少又是從何而來呢?
質量數是質子數與中子數的合,代表的數量,而不是質量,雖然核裂變反應前后的質子與中子的數量沒有變化,那么質量肯定是會減少一點點的,減少的質量乘以光速的平方就是核裂變釋放出的能量。
核聚變與核裂變是一個原理,區別在于核聚變并不是一個原子核分裂成幾個新的原子核,而是幾個原子核合成一個新的原子核,這里就不展開講解了。
可能有些讀者會提出這樣一個設想:如果我們先使用核裂變,將原子序數大的元素進行裂變,裂變產生的元素再進行裂變,無限的循環下去,直到裂變形成無法再裂變的原子序數為1的氫元素,然后在使用原子序數為1的氫元素進行無限聚變,循環往復。豈不是能源就可以無窮無盡了嗎?
這個想法是很新穎的,但是不可能實現,并不是因為人類的科技水平達不到無限裂變、聚變的程度,而是核聚變和核裂變反應有一個臨界值。
也就是說核聚變反應與核裂變反應不可能無限的進行下去,核聚變反應會隨著原子序數的不斷增加,導致核聚變越來越困難,核裂變反應也是同理,雖然原子序數的減少,核裂變反應也會越來越困難,兩者有一個臨界值,這個臨界值就是鐵元素。
當核裂變或者核聚變反應進行到鐵元素的時候,反應也就停止了,因為鐵元素發生聚變或者裂變并不能再釋放能量,反而要從外界汲取能量。
所以才有了這樣一句話:老鐵,真穩
日本的物理學家曾經進行過一項很無聊的實驗,在相對封閉的環境下觀察鐵元素的衰變情況,物理學家對于鐵元素進行了3年的觀察,發現在3年期間內鐵元素發生衰變不超過3個,而且3個發生衰變的粒子也無法判斷是否為鐵元素造成的,所以物理學家推論:鐵元素是目前已知最穩定的元素,其衰變周期要大于宇宙誕生的年齡,故研究鐵元素衰變并不具有現實意義。