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。如果把氢原子核放大到足球大小，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。

（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。

（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。氢占现代宇宙总质量的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。

（宇宙大爆炸后，急速暴涨，加速膨胀，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！

（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）

（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。

（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。

（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克铀（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180万亿焦耳的能量，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，质能转化率是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）

（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，小到逼近于普朗克尺度。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”。比弦更小的物质，已经没有什么意义了！

②弦子与能量关系：弦的振动越剧烈，粒子的能量就越强；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；而轻轻拨动琴弦时，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双面，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，是因弦的振动而产生的。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的。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。而电磁力和万有引力的力程无限远（∞），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；夸克距离小于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∞；达到普朗克温度，回归宇宙奇点。

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。）

（粒子的波动性，是因弦的振动而产生的。）

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