首先需要了解一些背景信息:
- 铀-235的摩尔质量约为235克/摩尔。
- 1千克铀-235等于 \( \frac{1000}{235} \) 摩尔。
- 根据阿伏伽德罗常数 \( N_A = 6.022 \times 10^{23} \),每摩尔物质包含 \( N_A \) 个原子。
因此,1千克铀-235中包含的原子数量为:
\[
\text{原子数} = \left( \frac{1000}{235} \right) \times (6.022 \times 10^{23})
\]
每个铀-235核裂变释放约200 MeV的能量。为了得到总能量,我们需要将单个核裂变的能量乘以总的裂变次数。1 MeV相当于 \( 1.602 \times 10^{-13} \) 焦耳,所以200 MeV等于 \( 200 \times 1.602 \times 10^{-13} \) 焦耳。
接下来,我们进行具体的数值计算:
1. 计算1千克铀-235中的原子数:
\[
\text{原子数} = \left( \frac{1000}{235} \right) \times (6.022 \times 10^{23}) \approx 2.56 \times 10^{24}
\]
2. 计算单个核裂变释放的能量(焦耳):
\[
200 \, \text{MeV} = 200 \times 1.602 \times 10^{-13} \approx 3.204 \times 10^{-11} \, \text{J}
\]
3. 计算总能量:
\[
\text{总能量} = (\text{原子数}) \times (\text{单个核裂变释放的能量})
\]
\[
\text{总能量} \approx (2.56 \times 10^{24}) \times (3.204 \times 10^{-11}) \approx 8.2 \times 10^{13} \, \text{J}
\]
因此,1千克纯铀-235如果完全裂变,理论上可以释放大约 \( 8.2 \times 10^{13} \) 焦耳的能量。这一巨大的能量展示了核裂变作为能源的巨大潜力,同时也强调了控制和利用这种能量的重要性。