谈氢论氦（上篇）

　　谈氢论氦（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。528x1010米，氢原子核半径约为0。833x1015米，电子半径约为1016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（H）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C。碳的同位素C，带放射性，含6p8n。
　　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（H）、氘（H）、氚（H）。氕读pi，1p0n；氘读do，1p1n；氚读chun，1p2n。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：
　　氕（即氢）是碳基生命中不可或缺的基本元素（如HCHCOOH）。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。
　　氘（重氢）用于热核反应，核聚变释放射线，产生氦（He）。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。
　　氚（超重氢）是制造氢弹的原料。氚水（HO）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。
　　大爆炸发生于宇宙奇点，其普朗克尺度1035米，普朗克时间1043秒，普朗克温度1032K，开始有了时间和空间。
　　大爆炸后1035秒，温度降至1027K，引力分离，宇宙进入暴涨期，夸克和反夸克形成。
　　大爆炸后1010秒，温度降至1015K，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。
　　大爆炸0。01秒后，温度降至1011K，弱相互作用和电磁相互作用分离，光子、电子和中微子形成。
　　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（1p2n）；氦核（2p2n）；
　　锂核（3p4n）；铍核（4p5n）；
　　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：
　　普朗克尺度1035m
　　弦子1032m（米）
　　夸克1018m1am（阿米）
　　电子1016m
　　质子中子1015m1fm（飞米）
　　氢原子核1014m
　　氢原子1010m0。1nm（纳米）
　　量子点2108m（纳米材料的单位）
　　空气尘埃2。5x106m2。5m（微米）
　　（夸克的半径r0。43x1018m，悬浮于空气中的1粒微尘约含1036个夸克）。
　　9。质子和中子质量：
　　上夸克（u）2。2Mec
　　下夸克（d）4。7Mec
　　中子质量（mn）
　　1u2d3g（胶子）
　　939。56563Mec
　　1。67492861027
　　1。0083（相对质量mnmp）
　　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。）
　　质子质量（mp）
　　2u1d3g
　　938Mec（百万电子伏特光速）
　　1。672621637（83）1027kg
　　1。007（相对质量mpmn）
　　质子也是重子，其质量是夸克的99倍。
　　电子质量（me）
　　1。60217663411019C库仑（电量）
　　0。511Me8。01931018J焦耳（能量）
　　0。511Mec（质量）
　　9。10941031kg（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：
　　提供原材料的上、下夸克；
　　传递电磁相互作用的电子；
　　传递强相互作用的胶子；
　　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：
　　物质转换：npev（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，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。质能互化：ee0（质量为0，释放能量）
　　质子：1。672621637x1027kg（标准质量）938MeV（标准能量）一个负电子（e）与一个正电子（e），都具有能量0。511MeV，对撞湮灭后会产生1。022MeV的能量。质子是一个标准的重子，具有能量938MeV（百万电子伏特）。反之，能量也会转化成质量。
　　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（）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14。
　　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14。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。6x1026J（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（H）燃烧，导致的质量亏损只有81010kg，质能转化率是12亿分之一。
　　能量换算和质量换算：
　　1eV（电子伏特）
　　1。6021766208（98）1019J（焦耳）1eVc1。7831036kg
　　1KeVc1。7831033kg
　　1MeVc1。7831030kg
　　1GeVc1。7831027kg（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：
　　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！
　　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。
　　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。
　　四种力的大小：一对质子在相距1015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）102
　　弱相互作用（弱力）1012
　　引力相互作用（万有引力）1040
　　力程范围：强力力程1015米，弱力力程1016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1015m时，强力就可以小到忽略不计；夸克距离小于1015m时，强力占主要的支配地位；夸克距离小于0。41015m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。）