氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)

谈-氢ᨐ论-氦(上篇)

(清风读书笔记于2020年8月27)

1.氢原子:

氢原子(H),是由一个质子(p)和一个电子(e)组成。质子带正电荷( ),电子带负电荷(-)。电子绕核近光速旋转成电子云。原子内99.9999%都是虚空,但我们用手触摸物体没有虚空感,那是因为虚空本质是一个电磁场。氢原子半径约为0.528 x 10^-10 米,氢原子核半径约为 0.833 x 10^-15 米,电子半径约为10^-16 米。如果把原子核放大到足大小,那么电子只有玻璃弹珠大小,而整个氢原子则是一个半径为6.972公里的巨大虚空球体。

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(1)

(氢原子结构模型示意图)

2.原子量:

氢(¹H)原子核只有一个质子(p),没有中子(n)。氢原子量=1.00794u(u是原子质量单位)。其他元素的原子量都是u的倍数,如碳原子(C)的原子量是12u,表达式¹²C。碳的同位素¹⁴C,带放射性,含6p 8n。

3.等量关系:

中子=质子 电子。由于中子或质子质量是电子质量的1836.5倍,可见电子质量轻到几乎可以忽略不计,所以论质量的等量关系可以简化成:中子=质子=氢原子核=氢原子=1u。

4.氢的同位素:

氢有3个同位素:氕(¹H)、氘(²H)、氚(³H)。氕读piē ,1p 0n;氘读dāo,1p 1n;氚读 chuān,1p 2n。氕(即氢)丰度99.9885%;氘(重氢)丰度0.016%;氚(超重氢)丰度0.004%。氕氘没有放射性,氚有放射性。

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(2)

(氢的同位素:氕氘氚)

5.氕氘氚应用:

①氕(即氢)是碳基生命中不可或缺的基本元素(如H-CH₂-COOH)。煤炭石油天然气等化工燃料,木材塑料橡胶等原材料,都离不开氢。

②氘(重氢)用于热核反应,核聚变释放β射线,产生氦(³He)。氘被称为 “未来的天然燃料”。每升海水中含有0.03克氘,地球海水中共含45万亿吨氘。1升海水中所含的氘经过核聚变,可以提供相当于300升汽油燃烧后所释放出来的能量。

③氚(超重氢)是制造氢弹的原料。氚水(³H₂O)是特别理想的放射性示踪剂。例如研究植物光合作用和呼吸作用,为了揭示很复杂的生化反应原理,氚成为最理想的放射性示踪元素。

6.氢氦质量比:

氢,是宇宙中最轻的元素,也是宇宙中最多的元素。氢占现宇宙总质量的75%,氦占24%,其他所有元素仅占1%↓。氢只能产生于 “宇宙大爆炸”,无法从恒星热核反应中产生,也无法从超新星爆炸中产生。

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(3)

(宇宙大爆炸,急速暴涨,加速膨,每个时间段所产生的物质。)

7.氢是怎样产生的?

宇宙大爆炸发生于183.2亿年前,爆炸前宇宙奇点的体积无穷小,曲率无穷大,密度无穷高,温度极限值。

①大爆炸发生于宇宙奇点,其普朗克尺度10^-35米,普朗克时间10^-43秒,普朗克温度10^32K,开始有了时间和空间。

②大爆炸后10^-35秒,温度降至10^27K,引力分离,宇宙进入暴涨期,夸克和反夸克形成。

③大爆炸后10^-10秒,温度降至10^15K,强相互作用分离,夸克开始结合形成质子、中子、反质子和反中子。

④大爆炸0.01秒后,温度降至10^11K,弱相互作用和电磁相互作用分离,光子、电子和中微子形成。

⑤大爆炸100秒后,温度降至10亿K,这是恒星内部最热温度,质子(p)和中子(n),在强相互作用下开始结合形成:

氚核(1p 2n);氦核(2p 2n);

锂核(3p 4n);铍核(4p 5n);

⑥大爆炸30万年后,温度降至3000K,当一个电子与一个质子结合成 “中性原子” 后,意味着宇宙中的 “氢原子” 诞生了!

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(4)

(宇宙大爆炸后的膨胀模型,暗能量加速了宇宙膨胀速度。宇宙寿命183.2亿光年,而宇宙的膨胀半径是460亿光年。不难算出宇宙膨胀速度是光速的2.5倍。)

[光速c好比游泳速度,暗能量扩张∧好比水流速度,宇宙膨胀速度2.5c=游泳速度(光速c) 水流速度(暗能量扩张∧)。]

8.物质形成后的直径Φ:

①普朗克尺度=10^-35m

②弦子=10^-32m(米)

③夸克=10^-18m=1am(阿米)

④电子=10^-16m

⑤质子=中子=10^-15m=1fm(飞米)

⑥氢原子核=10^-14m

⑦氢原子=10^-10m=0.1nm(纳米)

⑧量子点=2×10^-8m(纳米材料的单位)

⑨空气尘埃=2.5x10^-6m=2.5μm(微米)

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(5)

(夸克的半径r=0.43 x 10^-18m,悬浮于空气中的1粒微尘约含10^36个夸克)。

9.质子和中子质量:

上夸克(u)=2.2Me∨/c²

下夸克(d)=4.7Me∨/c²

①中子质量(mn)

=1u 2d 3g(胶子)

=939.56563Me∨/c²

=1.6749286 ×10^-27㎏

=1.0083(相对质量=mn/mp)

中子是重子,其质量是夸克的99倍。

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(6)

(中子结构模型:含1个上夸克,2个下夸克和3个胶子。胶子没有质量,却能神奇地把3个夸克的质量提升了99倍。)

②质子质量(mp)

=2u 1d 3g

=938Me∨/c²(百万电子伏特/光速²)

=1.672621637(83)×10^-27kg

=1.007(相对质量=mp/mn)

质子也是重子,其质量是夸克的99倍。

③电子质量(me)

= 1.6021766341×10^-19C库仑(电量)

= 0.511Me∨=8.0193×10^-18J焦耳(能量)

= 0.511Me∨/c²(质量)

= 9.1094×10^-31kg(公斤)

电子是轻子,质子质量是电子的1836.5倍。

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(7)

(爱因斯坦质能公式,打开了物质世界的潘多拉魔盒。魔王挥舞着 “核魔棒”,能瞬间毁掉整座城市,甚至整个地球。)

10.决定原子质量和结构的基本要素:

①提供原材料的上、下夸克;

②传递电磁相互作用的电子;

③传递强相互作用的胶子;

④提供希格斯场(希格斯玻色子)。

质子中1%的质量来自于夸克和希格斯场的相互作用,99%的质量来自于胶子的强相互作用。

11.物质转换和质能互化:

①物质转换:n→p⁺ e⁻ v(β衰变896s)

自由中子(n),是不稳定的基本粒子,可以通过弱相互作用,β衰变为一个质子(p⁺),并释放出一个电子(e⁻)和一个反中微子(v),平均寿命为896秒。②质能互化:e⁻ e⁺ → 0(质量为0,释放能量)

质子:1.672621637x10^-27kg(标准质量)→938 MeV(标准能量)一个负电子(e⁻)与一个正电子(e⁺),都具有能量 0.511 MeV ,对撞湮灭后会产生 1.022 MeV 的能量。质子是一个标准的重子,具有能量 938 MeV (百万电子伏特)。反之,能量也会转化成质量。

③质量亏损:一颗30万吨TNT当量的核弹,质量亏损大约是14克;日本广岛原子弹约为1.3万吨TNT当量,折算成质量亏损为0.93克。也就是说,铀弹中只有0.93克(²³⁵∪)转化成能量。

广岛原子弹导致30平方公里范围内,寸草不生,无人生还。根据日本事后统计,日本军民前前后后共造成275230人死亡,其中包括因受原子弹²³⁵铀辐射患病而死亡的人数。

长崎钚弹爆炸相当于2万吨TNT当量。长崎全城27万人,当天死亡6万多人,死亡率约为1/4。

氢弹(核聚变)质能转化率0.7% ,原子弹(核裂变)质能转化率是氢弹的1/4。1克物质与反物质碰撞湮灭,可以产生180万亿焦耳的量,相当于3颗广岛原子弹的爆炸当量。

太阳每秒释放的能量约为 3.6 x 10^26 J(焦耳),质能换算后,意味着太阳每秒消耗掉400万吨氢的质量。太阳的氢可供使用40亿年,接着氦核聚变10亿年,最后变白矮星。

物质燃烧的化学反应,质量亏损率低得可以忽略不计。比如1kg氢气(H₂)燃烧,导致的质量亏损只有8×10^-10kg,质能转化率12亿分之一。

④能量换算和质量换算:

1 eV (电子伏特)

= 1.6021766208(98)×10^-19 J(焦耳)1 eV/c² = 1.783×10^-36 kg

1 KeV/c²= 1.783 ×10^-33 kg

1 MeV/c²= 1.783×10^-30 kg

1 GeV/c² = 1.783 ×10^-27kg(公斤)

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(8)

(大能量意味着大质量,小能量意味着小质量。)

12.弦理论基础:

①弦子的属性:

a)构成宇宙的基本要素不是点粒子,而是有弹性能振动的"弦。各种不同的粒子,只是弦的不同振动模式。

b)宇宙中所有的物质都来自振动的弦,它非常非常地小,小到近于普朗克尺度。弦的大小相当于原子核的万亿亿分之一。

c)弦是构成宇宙万物真正的“原子”,可以称之为“基元”。比弦小的物质,已经没有什么意义了!

②弦子与能量关系:的振动越剧烈,粒子的能量就越;振动越轻柔,粒子的能量就越弱。这正是我们熟悉的现象:当我们用力拨动琴弦时,振动会很强烈;而轻轻拨动琴时,振动会很轻柔。依据爱因斯坦的质能原理,能量和质量就像硬币的面,大能量意味着大质量,小能量意味着小质量。因此,弦振动较剧烈,则粒子质量就大;弦振动较轻柔,则粒子质量就小。

③弦子与力的关系:粒子的波动性,是因弦的振动产生的。弦的振动与粒子的引力存在着直接关联。弦的振动模式甚至决定了力的性质。也就是说,一根弦所携带的电磁力、弱力、强力和引力,也完全是由弦的振动模式所决定。氢的核聚变和铀的核裂变,其过程受弱力所支配,弱力又取决于弦振动的模式。

④四种力的大小:一对质子在相距10^-15米时,强相互作用的强度定义成1个数量级,则:

强相互作用(强力)=1

电磁相互作用(电磁力)=10^-2

弱相互作用(弱力)=10^-12

引力相互作用(万有引力)=10^-40

力程范围:强力力程10^-15米,弱力力程10^-16米,所以强力和弱力都是短程力。而电磁力和万引力的力程无限远(∞),都是远程力。

夸克距离超过10^-15m时,强力就可以小到忽略不计;夸克距离小于10^-15m时,强力占主要的支配地位;夸克距离于0.4×10^-15m时,吸引力变排斥力。

距离越小,斥力越大;距离无穷小,斥力无穷大;距离普朗克尺度,夸克斥力被压垮;时空维度归0,曲率∞,能量也∞;达到朗克温度,回宇宙奇点。

核力,存在于夸克之间,究竟它有多大?我们知道上夸克能量=2.2Me∨,反上夸克能量= -2.2Me∨。如果把1个上夸克和1个反上夸克拉开1米距离,那么它们之间的吸引力将达到1吨左右!这显然把 “能量守恒定律” 给彻底违背了,可以用 “冲激函数” 来描述。好在正反夸克立马碰撞湮灭,又恢复平静状态,这叫 “常态分布”。(清风将在《谈氢论氦的下篇》还会进一步讨论冲激函数问题。)

氦的化学史(谈氢ᨐ论氦)(9)

(粒子的波动性,是因弦的振动而产生的。)

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