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原子弹发明之前,爱因斯坦怎么会知道原子核内蕴含巨大能量的?

为什么原子弹具有如此之高的能量

相信这个问题很多朋友都能回答,这是因为原子弹使用的是重核裂变,但一个铀-235的原子核裂变称钡-141和氪-92原子核时,会丢失一点点质量,而这个失去的质量将会以质能转换的方式完全转化为能量,而公式就如下:

由于和质量相乘的是光速的平方,所以只要一点点质量亏损,产生的能量都是天文数字,比如广岛原子弹,装载了大约60多千克铀,但只有1千克铀发生了裂变,产生大约1克的质量亏损,转换出的能量高达2万吨TNT当量。

原子弹爆炸以前,爱因斯坦为什么就知道了质能公式?

学理科的朋友应该很清楚,爱因斯坦是在狭义相对论的推论中提出质能等价公式的,1905年9月26日,爱因斯坦发表了《论运动物体的电动力学》,9月27日就发表了《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》。时隔一天发表两篇诺奖级的论文,乃真大神也!

所以很多朋友都目瞪口呆,但其实这是爱因斯坦3个多月前投的稿子,前者是被后人称为狭义相对论的论文,而后者则是质能等价方程的描述,也就是我们熟悉的E=MC?。更让大家想不到的是,《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》只有短短数页,但给出的答案却是石破天惊。

《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》论文

这是狭义相对论的推论,是描述在质增等效应与速度叠加的洛伦兹变换前提下,物体蕴含的能量变化计算公式,它的推导过程也不复杂,如下只有如下图中几个步骤:

也许爱因斯坦觉得推导这个公式实在是太简单了,以至于没有交代清楚C?的平方的来历,因此当时还有很多科学家提出了异议,不过这后来经过推导这个C?来历完全没有问题。

现在也有科学家根据动能与势能公式和史瓦西半径等推导出质能等价方程,相对后者更直观,更容易理解,有兴趣的朋友可以去搜索下吉姆・巴戈特在他的著作《量子空间》的推导。

1905年距离卢瑟福的α粒子散射实验发现原子核都还有4年,所以爱因斯坦根本就不知道所谓的原子弹是什么概念,连原子都还在摸索中。原子弹的时间线必须跨越到几十年后,而角色也将大换血,因为原子弹的发明和爱因斯坦没有半毛钱关系。

重核裂变的发现和原子弹

1909年卢瑟福α粒子散射实验发现原子核,1918年卢瑟福在α粒子轰击氮原子核发现了质子,1932英国科学家、卢瑟福的学生詹姆斯・查德威克发现了中子,此为铺垫,此后费米在1934年就用中子轰击过铀原子,产生了钡,而且质量还少了40%,因为另一种是氪,这种气体。

很可惜费米大神不知道这是裂变,所以错失一个诺贝尔奖,费米发表研究成果后不久实验被奥托・哈恩、莉泽・迈特纳等人重复,而哈恩则严格分析了实验过程,从而发现了核裂变过程,1938年12月22日,哈恩将实验过程写成论文投稿到了《自然科学》,所以1944年的诺贝尔奖颁给了哈恩,奖励其在核裂变上的伟大发现。

而裂变发现后科学家很快就意识到,原子核裂变后将会损失质量和产生巨大的能量,而这些质量和能量之间的关系可以适用爱因斯坦的质能方程,所以爱因斯坦在核裂变发现之前就早已有推导出公式等着大家了。

但事实上此能量转换和彼能量转换有着本质不同,很多朋友都说了,质能等价,即使化学反应中的能量同样可以用,为什么会有不同呢?其实铀核裂变中损失的质量只有0.0945%左右,而爱因斯坦的质能等价是普适所有质量的。

它的真正意义在于解释了宇宙中物质的来历,也就是宇宙大爆炸时揭示了能量到质量的转变过程,所以原子弹和氢弹中的质量等价是“狭义”的,而质能等价方程则是“广义”的。

二战爆发后,科学家担心纳粹德国先行制造出原子弹,因此一大帮科学家写信给美国总统罗斯福建议研制原子弹,而爱因斯坦所做的事情就是在那封信上签了个大名,毕竟没有人比爱因斯坦的名头更响亮。

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其实纳粹德国还真的开始研制原子弹了,领导核计划的是大名鼎鼎的海森堡,但德国在核计划上从来就不顺,不是重水工厂给炸了就是运重水的船给炸沉了,要么就是海森堡算错了,制造核弹的铀装药要数吨,反正最后就是没造出来。

而1945年7月16日5时29分45秒,人类历史上首枚原子弹在阿拉莫戈多沙漠上空爆炸,这是一颗内爆式的钚弹,装药量为5千克伽玛相钚,21天后的广岛400多米上空,小男孩铀弹爆炸,24天后长崎钚弹爆炸,人类从此进入了真正的核裂变时代。

1951年第一颗氢弹装置实验成功,再次升级到核聚变时代,从氢弹时代开始,人类正式成为可以毁灭自己的物种,因为根据氢弹引爆模型,可以通过多个次级构成一个N相氢弹,从而将氢弹的威力升级为“无限大”,根据现有的理论模型,至少可以达到100亿吨TNT当量以上。