原子彈發明之前,愛因斯坦怎麼會知道原子核內蘊含巨大…


原子彈發明之前,愛因斯坦怎麼會知道原子核內蘊含巨大能量的?的頭圖

原子彈發明之前,愛因斯坦怎麼會知道原子核內蘊含巨大能量的?

為什麼原子彈具有如此之高的能量?

相信這個問題很多朋友都能回答,這是因為原子彈使用的是重核裂變,但一個鈾-235的原子核裂變稱鋇-141和氪-92原子核時,會丟失一點點質量,而這個失去的質量將會以質能轉換的方式完全轉化為能量,而公式就如下:

由於和質量相乘的是光速的平方,所以只要一點點質量虧損,產生的能量都是天文數字,比如廣島原子彈,裝載了大約60多千克鈾,但只有1千克鈾發生了裂變,產生大約1克的質量虧損,轉換出的能量高達2萬噸TNT當量。

原子彈爆炸以前,愛因斯坦為什麼就知道了質能公式?

學理科的朋友應該很清楚,愛因斯坦是在狹義相對論的推論中提出質能等價公式的,1905年9月26日,愛因斯坦發表了《論運動物體的電動力學》,9月27日就發表了《物體的慣性同它所含的能量有關嗎? 》。時隔一天發表兩篇諾獎級的論文,乃真大神也!

所以很多朋友都目瞪口呆,但其實這是愛因斯坦3個多月前投的稿子,前者是被後人稱為狹義相對論的論文,而後者則是質能等價方程的描述,也就是我們熟悉的E=MC?。更讓大家想不到的是,《物體的慣性同它所含的能量有關嗎? 》只有短短數頁,但給出的答案卻是石破天驚。

《物體的慣性同它所含的能量有關嗎? 》論文

這是狹義相對論的推論,是描述在質增等效應與速度疊加的洛倫茲變換前提下,物體蘊含的能量變化計算公式,它的推導過程也不復雜,如下只有如下圖中幾個步驟:

也許愛因斯坦覺得推導這個公式實在是太簡單了,以至於沒有交代清楚C?的平方的來歷,因此當時還有很多科學家提出了異議,不過這後來經過推導這個C?來歷完全沒有問題。

現在也有科學家根據動能與勢能公式和史瓦西半徑等推導出質能等價方程,相對後者更直觀,更容易理解,有興趣的朋友可以去搜索下吉姆·巴戈特在他的著作《量子空間》的推導。

1905年距離盧瑟福的α粒子散射實驗發現原子核都還有4年,所以愛因斯坦根本就不知道所謂的原子彈是什麼概念,連原子都還在摸索中。原子彈的時間線必須跨越到幾十年後,而角色也將大換血,因為原子彈的發明和愛因斯坦沒有半毛錢關係。

重核裂變的發現和原子彈

1909年盧瑟福α粒子散射實驗發現原子核,1918年盧瑟福在α粒子轟擊氮原子核發現了質子,1932英國科學家、盧瑟福的學生詹姆斯·查德威克發現了中子,此為鋪墊,此後費米在1934年就用中子轟擊過鈾原子,產生了鋇,而且質量還少了40%,因為另一種是氪,這種氣體。

很可惜費米大神不知道這是裂變,所以錯失一個諾貝爾獎,費米發表研究成果後不久實驗被奧托·哈恩、莉澤·邁特納等人重複,而哈恩則嚴格分析了實驗過程,從而發現了核裂變過程,1938年12月22日,哈恩將實驗過程寫成論文投稿到了《自然科學》,所以1944年的諾貝爾獎頒給了哈恩,獎勵其在核裂變上的偉大發現。

而裂變發現後科學家很快就意識到,原子核裂變後將會損失質量和產生巨大的能量,而這些質量和能量之間的關係可以適用愛因斯坦的質能方程,所以愛因斯坦在核裂變發現之前就早已有推導出公式等著大家了。

但事實上此能量轉換和彼能量轉換有著本質不同,很多朋友都說了,質能等價,即使化學反應中的能量同樣可以用,為什麼會有不同呢?其實鈾核裂變中損失的質量只有0.0945%左右,而愛因斯坦的質能等價是普適所有質量的。

它的真正意義在於解釋了宇宙中物質的來歷,也就是宇宙大爆炸時揭示了能量到質量的轉變過程,所以原子彈和氫彈中的質量等價是“狹義”的,而質能等價方程則是“廣義”的。

二戰爆發後,科學家擔心納粹德國先行製造出原子彈,因此一大幫科學家寫信給美國總統羅斯福建議研製原子彈,而愛因斯坦所做的事情就是在那封信上簽了個大名,畢竟沒有人比愛因斯坦的名頭更響亮。

愛因斯坦—西拉德信

其實納粹德國還真的開始研製原子彈了,領導核計劃的是大名鼎鼎的海森堡,但德國在核計劃上從來就不順,不是重水工廠給炸了就是運重水的船給炸沉了,要么就是海森堡算錯了,製造核彈的鈾裝藥要數噸,反正最後就是沒造出來。

而1945年7月16日5時29分45秒,人類歷史上首枚原子彈在阿拉莫戈多沙漠上空爆炸,這是一顆內爆式的钚彈,裝藥量為5千克伽瑪相钚,21天后的廣島400多米上空,小男孩鈾彈爆炸,24天后長崎钚彈爆炸,人類從此進入了真正的核裂變時代。

1951年第一顆氫彈裝置實驗成功,再次升級到核聚變時代,從氫彈時代開始,人類正式成為可以毀滅自己的物種,因為根據氫彈引爆模型,可以通過多個次級構成一個N相氫彈,從而將氫彈的威力升級為“無限大”,根據現有的理論模型,至少可以達到100億噸TNT當量以上。