【质能方程的推导与核能的探究历程综述8000字】

质能方程的推导与核能的研究历程综述内容摘要作为相对论中的一个重要结论，“质量能量等式”首次揭示了质量与能量的内在关系，改变了人们对能量的认识。与质能方程密切相关的核能，和现代社会人们的生活息息相关。本文中，通过三种方法推导了广义能量方程，并介绍了核能的开发与应用。【关键词】质能方程；核能研究史；核能的应用一、质能方程的三种推导方法（5）（一）、通过洛伦兹变换推导（5）（二）、利用波动理论推导质能方程（6）（三）、利用狭义相对论推导（6）二、与质能方程密切相关的核能（8）（一）核物理的萌芽（8）（二）对核反应的逐步探索（9）（三）重核裂变的发现（9）（四）核能的初步利用与核武器的研制（9）（五）现代社会对核能的应用（10）三、结论（12）参考文献（13）质能方程是在狭义相对论的时空观上才有意义,所以在推导质能方程之前，首先需要认可狭义相对论的两个假设：首先，光速不变原理，不论在任何情况下，光源的运动状态对光速没有影响，光在真空中的速度一直为c，光速不变性可以从理论上由麦克斯韦方程得出：，光速由真空介电常数与磁导率决定，是一个不变的常数，并且不依赖于参考系的选择;第二点，所有惯性参考系内的物理定律都是相同的，也就指的是，物理定律的方程式，在经过洛伦兹变换之后，这些公式的形式依然不变。接下来就介绍三种简单的推导。一、质能方程的三种推导方法（一）、通过洛伦兹变换推导假设一个人在一辆车上，人步行的是速度是v，车的速度是u，如果人顺着车行驶向走的话，人的速度是v+u，逆着车的方向走的话，人的速度是u—v，这便是作为经典力学支柱

的伽利略变换，但爱因斯坦狭义相对论的假设与这个变换是矛盾的。在爱因斯坦的狭义相对论还没有问世的时候，敏锐的科学家们就已经注意到了很多不符合常识的现象。为了解决这些难题，洛伦兹根据自己的经验，写出了洛伦兹变换的公式，但他只知道这些公式可以解决这些问题，却并不知道这些问题产生的来源。如果有一个质点，受到大小为F的外力作用，当质点的位移为ds时，呀4该质点的动能增加了：dE设F作用时间是dt，由于得到冲量Fdt，那么该质点的动量增加了：dp=Fdt，①又因为有公式v=ds/dt②，将②代入①中可得质点的速度表达式：V=dEk则有：dEk已知洛伦兹质量变换公式：m=m0将这个公式两边平方得：m2（c2−对速度v进行求导得：d（mm2d(c2−-2vm2+2m(mvdv=(c将该式代入③中得：dEk=c由洛伦兹质量变换公式可得到随着该质点的速度增大，质量m也增大，由④式可知该质点能量的增量dEk设质点静止时的质量为m0，根据洛伦兹质量变换公式，当v=0时，质量m=m0，此时dm=0，d根据这个结论，将式dEk=cEk=m该式将动能表示为mc2得一部分，并用差值来表示动能。其中mc2是物体运动时得质量，物体的质量m会收到物体自身速度的影响。m0c2E=mc2，该结论成功将质点的质量与能量相结合。（二）、利用波动理论推导质能方程根据爱因斯坦对光子的定义，我们知道单个光子的能量为：E=hv可得：v=E其中h是普朗克常数，v为光的频率。由物质波理论可知光子动量：p=由上式可得出光子的波长为:λ=光波中波长与频率的关系为：c=联立①②③式可得：E=m成功得到爱因斯坦的质能方程。（三)、利用狭义相对论推导在相对论力学中，相对论的质速关系为：m=由此就可得出动量为：p=mv=m由动能定理可得：d由动量定理可得：dp=fdt以上两式联立可得：dE将①代入②中可得:dE=m=m0vdv对③式进行积分，设物体的速度为由0增加到v，则有：E将质速关系式代入上式，可得E上式可以改成另一种形式:m到此则与本文提供的第一种推导方法一致，mc2包含了物体的动能质能方程对物理学的影响质能关系作为相对论所揭示的最重要的理论之一，它所带来的影响无疑是巨大的，与牛顿系统中所认为的静止的物体不具有能量这一观点不同，经典力学中质量与能量是两个没有任何关联的物理量，而质能方程成功将质量与能量紧密联系在了一起。该式使人们意识到任何具有质量的物体都蕴含着无比丰富的能量，mc2这个数字是如此之巨大，超过了人们所认知到的任何能源所具有的能量，假设某种技术能将1g的任意物质完全转化为能量，根据质能方程来计算，这意味着人们将得到由E=mc∆由该式可以看出来，只有当系统的质量减少（发生亏损）时，其固有能量才能部分释放出来，这种情况实际上只有通过核反应才能实现，质能方程最大的实践意义在于成功解释了核反应释放出超高能量的原因，让原子弹的制造有了扎实的理论支持（并不是质能方程导致了原子弹的诞生，质能方程主要的贡献在于对原子弹爆炸所释放的能量做出了合理的定量的解释)自从物理大厦建立以来，质量守恒定律作为被人们公认的定律之一，它阐明了物质在各种各样的反应变化过程中，质量是一个守恒量，但质能方程的诞生表明了质量并不是一个最终的守恒量，并且成功地在质量与能量之间搭建了桥梁，证明了质量与能量实际上是一种事物的不同表现形式。二、与质能方程密切相关的核能核能是原子核在核反应的过程的过程中由于质量亏损而产生的能量，这种能量的产生过程符合爱因斯坦质能方程的描述，质能方程e=mc21、核裂变，是我们所熟知的一种核反应，重原子核通过核裂变这一复杂的反应过程，分裂成质量较轻的原子核。2、核聚变，是指由质量较小的原子核，在一定条件下能够相互吸引而碰撞在一起，生成质量较重地原子核的一种核反应形式。3、核衰变，核衰变的工程中会发出粒子，并且在这一过程中，原本的原子核会发生变化，变成另外一种新的原子核。。核能的发现离不开众多科学家的辛勤探索，在科学家们前赴后继的努力下，人类得以一步步地认清原子的面貌。接下来本文将介绍核能的研究历程。（一）核物理的萌芽人类最早的对原子展开探索的成功是汤姆逊，原子是我们所熟知的一种微粒，首次对原子进行详细描述的是化学家拉瓦锡，他描述的原子作为一个个体是化学变化中的最小单位，也就是在化学变化中，不会有比原子更小的粒子产生反应。原子是不可再分这一观点几乎是当时的人们所公认的，直到1897年，汤姆逊发现了一种带负电的粒子，它的质量非常小，比原子要小得多，即为电子。汤姆逊的实验指出原子是由很多部分组成的，原子并不是不可分割的，这一重要发现革新了世人对原子的认知，打开了通向基本粒子物理学的大门。1895年，伦琴在进行阴极射线的实验时，由于他一个不经意的举措，导致他观察到了一种不应该出现在实验中的现象，他没有放过一异常，而是针对这个异常展开了实验，最终发现并命名了x射线。1896年，贝克勒尔对x射线和天然磷光间是否存在联系产生了兴趣，于是他开始着手这个实验，他使用的主要材料是铀盐，在实验的过程中意外地通过铀盐的实验发现了一种射线直到，他证明了这种射线是铀盐放射出的，从而发现了天然放射性现象。这种射线被他称为铀辐射，铀辐射不同于x射线，两者虽然都有很强的穿透性，但产生的机理不同。1898年，居里夫妇观察到了一种新的放射性元素，并将其命名为钋，1902年底，居里夫妇提取出了纯氯化镭，这标志着镭元素是真正存在的。镭的发现虽然不是人类首次发现放射性元素，但镭却是放射性最强的一种元素。居里夫人对放射性的伟大贡献不仅仅在于新元素的发现，她设计了一种便于实验研究的仪器，该仪器能用来测量物质是否具能释放出射线，同时，他观察到能放出射线是某些元素共同具有的特性，根据这些元素这这一特性，居里夫人将这一类元素称为放射性元素。居里夫人为人类探究放射性元素做出了卓越的贡献。1903年，意大利的德普莱托在研究放射性时，就得出了e=mc2这一结论，但受当时以太观念的影响，他的结论是指质量为m的物质包含的以太震动为，但是当时主流史学家并不认为这个结论是有实际意义的，所以没有被广泛关注。直到1905年，爱因斯坦在论文中将这个方程与相对论联系，使这个方程的推导更加精确，这个公式才显示出了它的价值。但实际上在这个时候并没有任何实验能验证这个公式的正确性，甚至爱因斯坦本人也没有预见到这个关系式的含义1912年，卢瑟福根据α粒子散射实验提出原子核式结构模型。1914年，卢瑟福定氢原子核实际上是一质子，至此人类对原子核的内部构造有了更清晰的认识。（二）对核反应的逐步探索1919年，卢瑟福首次实现人工核反应，他在实验中通过使氮原子核受到α粒子撞击，最终使得氮原子变成了另一种原子。他的工作成功改变了轻元素原子的性质，具有划时代的重大意义。1933~1934年，约里奥（Joliot）和居里夫妇报道了人工放射性，这是人类首次发现可以通过人工来操作放射性。他们发现将粒子射入硼核、镁核和铝核后会产生几种元素的新的放射性同位素。成功发现人工放射性使科学家们在研究核物理时不用仅仅依靠天然放射性了，为核物理的研究提供了巨大的便利。1934年，当费米得知了人工放射性的研究结果后，经过思考，他发现与粒子相比，中子不带电，使用中子作为实验中的入射粒子更为有效。但实现这个设想最大的困难在于如何发射中子。通过研究他发现中子可以通过使某些元素被α粒子轰击而激发出来。费米他们在经过实验对比后，最终选择了镭射气作为粒子源，他使用中子轰击了多种元素，并且有多种元素体现了辐射性。费米小组的工作使人类进一步掌握了人工放射性的实现。1934年10月，费米发现了用慢中子作为中子源可以大大增加辐射性的生产。1936年布雷特和维格纳提出了中子慢化过程的理论解释。对于慢中子作用的认识使得人们向着重核裂变的发现更进一步。（三）重核裂变的发现1937年伊伦·居里和沙维奇在实验中发现了一种新的放射性元素，在经过多次比对后，他们仍无法确定这是什么元素，但发现这种元素的性质很像镧。不久后，哈恩对居里的实验结果表示了怀疑，他和斯特拉斯曼也做了中子辐射铀的实验，经过多次试验论证，虽然对结果感到困惑，但仍然不得不承认实验中产生了新元素—钡和镧，最终他如实地报道了结果。1939年，迈特尔的侄子弗里胥在知道这个实验结果后，他尝试使用玻尔提出的“液滴核模型”来解释这个实验结果，在液滴核模型的前提下，在原子核因外力被拉长时，用中子轰击原子核，这个过程中产生的巨大的能量会使原子核分裂，后来，他们联合论证了重核裂变的产生，提出了“裂变”一词。（四）核能的初步利用与核武器的研制在证实了重核裂变后，费米产生了一种想法，如果在核裂变的过程中有中子产生的话，那么就可能产生链式反应而持续不断地放出巨大的能量。约里奥提出了“中子过剩”问题，在这种情况下，重核裂变成轻核时，总的中子数要比两个轻核的中子数之和要多，结果就是会员多余的中子无法分配，如果这些中子能再次轰击原子核并且使这个过程能持续循环下去，就可以出现连锁反应。1939年，在核物理的研究的关键节点上，第二次世界大战爆发。自从科学家们发现了重核裂变的链式反应可以产生巨大的能量并有可能产生爆炸后，战争为这个发现赋予了特殊的含义，意味着巨大威力的超高能量逐渐被军方关注。在1939年7月，爱因斯坦和其他三位重要的科学家（西拉德，维格纳，萨克斯）与当时的美国总统罗斯福交谈，提出了对核裂变的利用，解释了用铀来制造原子弹的可能性。最终罗斯福采纳了这个想法，在一系列的研究、报告和决策之后。政府对这一研究拨了一笔款项作为补助金，用来购买链式反应实验用的材料。这一工程的一切研究情况被列为军事机密，代号为“曼哈顿工程”的军事计划正式启动。虽然当时的科学家已经大致上了解了核反应的过程机理，但还面临许多具体的问题难以解决，比如如何让链式反应持续不断地进行，如何能产生爆炸如何大规模地分离235U1941年12月，作为二战旁观者的美国因为日本偷袭珍珠港被迫向协约国宣战，战争的紧张和残酷为解决上述问题提供了巨大动力。1942年，费米领导的实验小组在甄选了试验点后，尝试建造核反应堆，展开了反应堆的的实验工作。科学家们决定使用石墨作为减速剂，用来产生慢中子，提高核裂变的效率。他们将铀层与石墨层间隔地堆砌在方阵中（“堆”的名字由此得来），为了能有效控制链式反应的速率，他们在反应堆中插入镉棒，因为镉棒是可以吸收中子的，从而可以控制堆中剩余中子的数量。在克服一系列的困难之后。这个人类最早建立的核反应堆成功开始工作。虽然这座核反应堆功率很小（仅有0.5瓦），工作的时间也不长（28分钟），但它却具有划时代的意义，标志着人类对核能产生的初步掌握，标志着人类迈入了核能时代的大门。费米的在核能研究上的伟大功绩可与哥伦布发现新大陆媲美。1943年-1945年奥本海默和爱德华·泰勒领导研制原子弹，曼哈顿工程中包含了很多当时享誉世界的科学家，如费米、波尔等。他们所在的洛斯阿拉莫斯实验室承担了原子弹的制造。经过三年的努力研制，在付出了将近20亿美元的花费后，原子弹问世。1945年7月16日，原子弹成功试爆，天空中出现了浓烈的蘑菇云和无比耀眼的光芒。原子弹的成功制造，意味着人类能够对何反应产生的巨大能量加以控制和利用，对控制链式反应在技术上的不断成熟意味着核能有可能成为继各种化石能源之后，又一能过被人类利用的巨大能源。科学家们近半个世纪的前赴后继的对核物理的研究终于取得了累累硕果，这是核物理发展的一个新的里程碑。（五）现代社会对核能的应用1、核电站1954年6月27日，苏联建立世界上第一座核电站—奥布宁斯克核电站。与一般的热电厂浓烟环绕，肮脏乌黑的景象不同，同样作为发电工程，这里的环境十分优雅，厂房非常干净整洁。这便是首座以核能为能量来源的发电厂。它的建成标志着人类成功利用核能源的开始，使人类拜托了对化石能源逐渐枯竭的疑虑，第二次能源革命开始了。自从奥布宁斯克核电站投入使用以来，核电站的发展不断取得进展，到目前为止，全世界已经有四百多座核电站投入运行了，这些核电站夜以继日地工作为人类提供了充沛的能量。其中，我国在1912年建立了泰山核电站，这座凝结了中国科学家们无数心血的核电站没有辜负期望，它的发电功率达到30万千瓦，提供了巨大的电量。泰山核电站的建成并成功运作是我国核电事业的里程碑，同时标志着我国已经掌握了独立建造核电站的技术，我国完成了从无核电国到有核电国的转变。核电发电具有总成本低，占地面积小，高能低耗的特点，核电站的重要性为人共知。上世纪六十年代核电站的建设增长十分迅速。但自从美国三里岛核电站事故和苏联切尔诺贝利核电站事故以来，对核污染的恐慌导致了人们对核电的热度逐渐下降，反对核电的呼声此起彼伏。人们对核能的利用产生了信任危机。但这并不难组织核能的发展，就好比是吃鱼被刺卡住并不影响你以后还想吃鱼肉一样，核能的“鲜美”仍然吸引着人类，况且，核事故的危险虽然是世界公认的，但是只要对核电站的操作严谨得当，核事故完全是可以避免的，三里岛核电站事故和切尔诺贝利核电站事故都是因为人为失职和管理不当造成的，这种因人为而造成的核事故并不影响核电站存在的安全性与合理性。根据美国的一项调查研究指出，核电站发生事故造成死亡的几率是三亿分之一，而其他因素造成死亡的几率远大于核事故。所以，仅仅两次核事故并不会影响核电站建设的总趋势。2、核动力潜艇在二战期间，潜艇作为一种战略型舰艇在海战中起到了非常重要的作用，它的动力一般来源于发动机和蓄电池。但有些限制在于，因为发动机的工作需要空气，当潜艇执行任务在潜水的过程中，只能使用蓄电池，发动机不工作，所以航行一段时间后潜艇就需要浮出水面，通过发动机给蓄电池充电，这一缺陷增加了潜艇位置暴露的风险。为了克服常规潜艇这一不足，人们想到了核动力，核动力产生能量的过程中不需要氧气，并且持续时间长，于是人们研究了一个小型的核反应堆作为潜艇的动力装置，这一想法得到了军方支持。1954年9月30日，鹦鹉螺号问世，这艘潜艇的动力系统出色地应用了核能，它是世界上第一艘以核能作为能量来源的潜艇。核潜艇可以长期在水下潜行而不用考虑燃料补充的问题，因为只要配有长寿面的堆芯，这个核反应堆就可持续使用十年以上。核潜艇的强大性能使得它得到许多大国的青睐。。2、核动力航母航空母舰作为一种强大的战略型海舰，强大的远洋作战能力和空中打击能力让其在海战中起到了中流砥柱的作用。但缺点也很明显，航空母舰巨大的排水量也使得它的燃料消耗相当巨大，在战争中航母补充燃料的途径一直是一个让军方头疼的问题。在核潜艇鹦鹉螺号成功服役之后，经过测试，科学家们发现鹦鹉螺号三年才需要更换一次核燃料。这样的结果令军方兴奋不已。核动力的优越性促使军方开始研究适配于航母的核反应堆，最终，1961年11月，第一艘核动力航母服役。它便是企业号。核动力航母在远洋作战方面拥有无与伦比的续航能力，核反应堆持续不断地产生能量使海军摆脱了燃料补充的困扰。核动力航母的的成功研制，使核能充分地展示了它对与军事的重要性，标志着人类的航空母舰技术提升了一个新等级。3、核聚变能的使用在前文中所介绍的核能使用均为核裂变反应堆的使用。核聚变反应堆的建设目前仍面临着许多技术上的问题。受控核聚变反应的实现是十分困难的，首先是成功实现“点火”，“点火”指的是将氘氚混合燃料加热到一亿度使其称为等离子体，等离子体的特性导致其能加热下一次添加的核燃料，使新加入的混合燃料成为等离子体，不断循环这个过程，如此便能使反应持续下去。目前为止“点火”还有几大问题需要解决，如加热，我们需要将燃料加热到一亿度，想要实现如此高的温度非常不易，还有便是如何约束等离子体，由于等离子体由于过高的温度，没有材料能承受如此的高