創作內容

39 GP

在石化中存活依靠的是核能?認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.06

作者:Celeste_蔚晴│Dr.STONE 新石紀│2019-08-10 20:03:10│贊助:96│人氣:1183
一、質能守恆

 E=mc²,這個由愛因斯坦(Albert Einstein)於1905年《狹義相對論》中提出的理論,我想這大概是少數即使連文組同學都能背得出來的物理學公式之一。這個公式表明了一個靜止物質的質量可以被換算為等價的能量,反之亦然。首先讓我們來講解一下這個公式的意涵:

E,能量(Energy),常用單位為焦耳(Joule)。能量有很多種形式,最常見的是
m,靜止質量(rest mass),常用單位為公斤(kilogram)。當物質有速度的時候,質能守恆的公式需要以廣義相對論進行修正,這裡暫時不討論這麼複雜的部份。
c,光速(speed of light),為一常數299792458(m/s)。

 這個公式在核反應的領域被應用最多,用於計算核反應中釋放的能量。由於物質的質量很少會完全消滅(完全消滅的一個例子是物質與反物質的反應),故這個公式更常以ΔE=Δmc²的形式被應用,也就是計算核反應前後「質量差距」所帶來的能量。
 這時我想有人會提問了:原子核不是都是由相同的基本粒子(質子、中子)所組成的嗎?核反應將這些基本粒子重新組合成不同的原子核,為什麼會有質量差距?我們用一個大家所熟知的核反應式來解釋這件事:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₆Kr⁸⁹ + 3₀n¹

 這個反應式是國中課本所教的鈾235的核分裂,當鈾235受到中子(₀n¹)的撞擊後,會產生鋇144、氪89及三個中子。「₉₂U²³⁵」這樣的表示式,左下角的數值代表原子序,為原子中的質子數;右上角的數值則代表質量數,為原子中質子數和中子數的總和。於是,我們可以列出下表:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₆Kr⁸⁹ + 3₀n¹
質子數 92 0 56 36 0
中子數 143 1 88 53 3
總計 質子數:92 質子數:92
中子數:144 中子數:144

 表面上看起來是沒變的吧?但是,當我們計算確切的原子量時,結果就不同了;

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₆Kr⁸⁹ + 3₀n¹
原子量(Amu) 235.0439 1.0086 143.9229 88.9176 3.0258
總計 236.0525 235.8663

 注意到了嗎?雖然組成的基本粒子數量沒變,核反應前後的總質量卻差了0.1862 Amu,這一前一後的質量差距,便化為核分裂反應所放出的能量。這個能量差距的由來,是不同原子的核結合能(nuclear binding energy)的差異。
 我們可以簡單的將原子的核結合能視為一個原子核的穩定程度,核結合能越高的原子核,穩定度越高。核結合能最高的元素是鐵56,意味著自然界中所有原子如果都會進行核衰變的話,它們最終都會變成鐵56。

不同原子核的核結合能分布圖

 理解質能守恆公式的意涵以及核反應產生的能量來源之後,我們就可以試著解析千空這個依靠質能轉換來維持大腦運作3700年的假說可不可信了。

 大腦每天消耗100大卡的熱量,1卡 = 4.18 焦耳,因此「單純讓大腦運作3700年」所需消耗的能量為 400×10³ × 4.18 × 365 × 3700 = 2.25×10¹² (Joule) ,即2.25兆焦耳。要通過質能轉換產生這麼多能量,需要消耗掉 2.25×10¹² = mc² => m = 2.51×10⁻⁵ (kg) ,即0.025克
 假設這些能量是由上述的鈾的核分裂反應而來,每235.0439 Amu的鈾一次核分裂會衰變掉0.1862 Amu,轉換率為0.079%,因此實際需要消耗掉 0.025 ÷ 0.079% = 31.56 (g) 的鈾。消耗掉這個量,的確有可能造成輕微破壞石化的身體、同時提供足夠能量的效果。

 然而,上述所提到的核反應,是通過中子撞擊原子核後誘發的,在全人類都被石化的這種情況下,顯然不會有這個中子源可以誘發核分裂反應。同樣的道理,核融合反應由於需要極高的能量來引發,也可以排除。因此,我們可以將發生核反應的元素,限縮至能產生自發性核分裂(Spontaneous fission, SF)的元素中,鋂241鈽239等元素都有機會是解答。

 不過,石化後的外表看起來明顯不是金屬質感,而會產生自發性核分裂的元素都是金屬元素...其實,包括原子序超大的元素會不會有非金屬元素、預測有異常穩定的超鈾元素存在的「穩定島理論」等,這部份在核子物理學上也仍未有定論,只能看後續作者要如何解釋了。

二、滑輪

 滑輪(pulley)是一種在圓盤周圍刻上凹槽,並在凹槽中放入繩子來傳遞力的簡易機械裝置。滑輪最早的歷史可以追溯到古希臘時代,亞里斯多德(Aristotle)在其著作《機械問題》中曾討論過滑輪系統的問題,而阿基米德(Archimedes)則詳盡的研究了滑輪的力學原理。

 依據在運作時滑輪的中軸是否移動,可以將滑輪分為定滑輪動滑輪兩種:

 定滑輪是指中軸固定的滑輪,使用上,在其中一側掛上受力對象,另一側施力。當定滑輪達力平衡時,兩側的力相等,因此定滑輪並沒有省力的效果
 當滑輪一側的施力向下時,滑輪另一側的受力對象會向上移動,因此定滑輪的功能是改變施力方向,但不省力
 動滑輪是指中軸會移動的滑輪,滑輪本身與受力對象連接,滑輪兩側的繩子則一端固定、另一端施力。我們可以將固定的一端想像成一個施力永遠與你相同的施力者,因此當動滑輪達力平衡時,施力恰好等於受力對象重量的一半
 當滑輪一側施力向上時,滑輪本身連同受力對象會向上移動,因此動滑輪的功能是省力一半,但不改變施力方向

 需要注意的是,以上計算皆忽略滑輪本身的重量以及摩擦力。在動畫中,千空利用木頭製作了三個動滑輪,並將繩索一端繞過樹枝,充當定滑輪使用。這四個滑輪總和的功效是,省力2³ = 8倍,同時向下施力時,可以將重物向上拉起。
 千空估計樹幹的重量為500公斤,自己的體重是60公斤,因此約需要三個動滑輪才足夠以自己的體重撐起樹幹(500 ÷ 2³ ≒ 60)。

 動畫中也不忘一些重要的小細節:在製作滑輪時,千空在木材中間的洞填入少許火藥並引爆,目的是將洞口周圍的木材碳化,藉此提高其材料強度;在繩索上塗上肥皂,目的是減少摩擦力



【本週總結】
提及的科學議題:2
可行的:1
不可行的:1

認真解析《Dr.STONE 新石紀》系列文章連結
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

つづく...
引用網址:https://home.gamer.com.tw/TrackBack.php?sn=4490650
All rights reserved. 版權所有,保留一切權利

相關創作

同標籤作品搜尋:Dr.STONE 新石紀

留言共 24 篇留言

雨丸★(黑魂模式)
愛因斯坦 特別有喜感xD

08-10 20:07

Celeste_蔚晴
尤其是配上boichi老師的畫風w08-10 20:33
ZXCCF
每次更新都會期待大大的分析

08-10 20:09

Celeste_蔚晴
現在已經越來越不敢說什麼分析了,脫離我的專業太多,只能講解基本的原理[e21]08-10 20:34
羽喵Neko((欠債雲長
很好,完全看不懂啊啊啊www
物理0分的我(◐∇◐*)

08-10 20:12

Celeste_蔚晴
物理真的是很難的東西[e18]08-10 20:34
央夜-撿到槍模式
晚點想要去看的,不過剛點進來的時候看到了艾因斯坦跟核子科學,瞬間震驚了一下。

還以為突然科技爆炸了呢ww

08-10 20:12

Celeste_蔚晴
他講到一半突然冒出愛因斯坦的時候,我也是一臉傻眼[e9]08-10 20:35
塞耶Seiei
拖到九分鐘才放op,超慢的XD
不過千空跟大樹兩人呼應的畫面真的做的超棒,而且千空那個實驗精神,帥炸

08-10 20:26

Celeste_蔚晴
動畫製作組在進度的編排上也很用心啊[e19]08-10 20:36
點( ´・◡・`)
這是化學兼物理課嗎

08-10 20:29

Celeste_蔚晴
我已經完全不知道這是什麼課了[e9]08-10 20:37
春雪我老公
動滑輪我到現在還搞不懂

08-10 20:48

Celeste_蔚晴
簡單來說,要讓同樣一個物體移動同樣一段距離,所做的功是一樣的
功 = 力 x 位移
動滑輪你可以當成牆壁出一隻手幫你拉,省力一半;但是你需要做的功還是相同的,所以繩子需要拉兩倍長08-10 21:11
荷月晴(高三症候群...
才第六集就已經出現核能了www
後續...你加油~

是說總覺得把這個系列作成影片應該可以吸引很多人看呢

08-10 20:56

Celeste_蔚晴
後續希望我能撐住吧[e26]
至於做成影片...我沒那個經驗,要不要試著拍一部合作影片看看?08-10 21:13
荷月晴(高三症候群...
是有這個想法,不過我的空閒時間有點不足就是了www

你OK的話我倒是可以想想該怎麼辦

08-10 21:18

荷月晴(高三症候群...
老實說我其實挺有興趣的就是了www

08-10 21:26

Celeste_蔚晴
有興趣的話不妨試試看?
我這邊的文案都幾乎是定稿了,只是我不清楚做成影片需要怎樣的調整比較適合,你可以先做一集看看成效如何,細節的部份需要的話也可以找我討論,雖然我時間也很母湯就是了(#08-10 21:42
player00
不一定是核能,也有可能是化學能。
例如說把水電解成氫和氧,使氫和氧結合反過來產生電能(燃料電池)。
謎之石化光線類比電能,使人變成石頭,然後消耗思考的能量恢復成人。
不過一般充能後會使物質朝向不安定的方向(液態變氣態),而變成石頭比原本的狀態安定。

08-10 21:27

Celeste_蔚晴
的確也是一種可能,千空提出「因為思考的能量消耗掉了石化中的某個成份」這樣的假說,而在這個基礎之上,猜測它得以實現的原理是透過質能轉換。目前他並沒有提到後續如何去驗證這個猜想是否正確,而我只是就「能量是來自質能互換」這個猜想去做延伸推理而已,並沒有否定其他的可能性08-10 21:45
Hydra
質能守恆這段目前來看應該只能算是千空的假設
等千空解開石化的原理之後應該會被推翻吧?
我個人的猜測啦~

08-10 21:33

Celeste_蔚晴
我也覺得應該是這樣,假設可以有很多種,但真相只有一個,千空之後如何一步步用科學揭開幻想的面紗就是之後很大的看點了[e34]08-10 21:46
Code之智乃(小熊模式)
手機一點進來嚇到嗚嗚嗚

08-10 21:44

Celeste_蔚晴
別怕,愛大叔很親切的(?08-10 22:49
荷月晴(高三症候群...
那這樣的話感覺就需要比較便捷的聯絡方式了呢…看你比較常用哪種,私訊給我ㄅ

08-10 21:46

Celeste_蔚晴
其實用哈哈姆特就ok了吧[e21]08-10 22:49
蒼柩毛
我比較好奇「₀n¹」跟次方怎麼打出來的

08-10 22:40

Celeste_蔚晴
從特殊符號一個一個慢慢複製來的08-10 22:49
寂靜的滴答卿
有點想吐嘲的是那準備滑輪的速度

08-10 22:54

Celeste_蔚晴
沒關係的,動畫裡並沒有講他準備了多久,準備了三天三夜也是有可能的[e29]08-10 23:43
荷月晴(高三症候群...
哈哈母特不是掛了嗎?

08-10 22:56

Celeste_蔚晴
掛了嗎?我試試看08-10 23:43
吼搭啦
關於承受軸的部分,細算的話可能還是無法承受壓力,在拉上去剎那的衝擊會受不了

08-10 23:25

Celeste_蔚晴
這可能要算一下材料的張力什麼的?這方面我不是很懂[e18]08-10 23:44
吼搭啦
剛想了一下...除了承軸,還有那個繩子真的不會分離?畢竟只有一般的編織,也無法看出他的粗度

08-11 00:04

Celeste_蔚晴
這就只能說是沒有交代清楚了,畢竟我們連繩子是什麼材料都不知道08-11 00:25
荷月晴(高三症候群...
我點哈哈姆特的訊息,它會跳到Google play,然後顯示找不到項目

08-11 00:05

Celeste_蔚晴
我這邊不會這樣欸...還是你要用電腦版的試試看?在通知欄推薦的旁邊08-11 00:26
聖誕哆啦
我比較想吐槽最下方的繩子可以耐住250KG的張力嗎?

08-11 01:27

Celeste_蔚晴
就跟上面一樣的問題,動畫裡沒有解釋繩索的材質
而且如果把多股繩索再纏在一起編成纜線的話,強度又可以提高不少08-11 10:00
玥晴 Luna
愛因斯坦的吐舌總有一種莫名的喜感

08-11 07:47

Celeste_蔚晴
可愛的科學家08-11 10:00
蜉蝣
看到公式腦袋自動放空是正常的嗎[e17]?

08-11 10:58

Celeste_蔚晴
放心,再正常不過了08-11 12:22
黑子
把人的大腦可以運作3700年的能量來源推到質能守恆身上,怎麼想怎麼怪

08-12 17:22

Celeste_蔚晴
假設總是可以天馬行空的,大膽假設、小心求證,這就是科學的本質08-12 23:02
我要留言提醒:您尚未登入,請先登入再留言

39喜歡★celestepile 可決定是否刪除您的留言,請勿發表違反站規文字。

前一篇:2019.08.09 颱... 後一篇:2019.08.11 小...

追蹤私訊

作品資料夾

chh10120大家
奇幻小說更新!歡迎大家來看看!看更多我要大聲說5小時前


face基於日前微軟官方表示 Internet Explorer 不再支援新的網路標準,可能無法使用新的應用程式來呈現網站內容,在瀏覽器支援度及網站安全性的雙重考量下,為了讓巴友們有更好的使用體驗,巴哈姆特即將於 2019年9月2日 停止支援 Internet Explorer 瀏覽器的頁面呈現和功能。
屆時建議您使用下述瀏覽器來瀏覽巴哈姆特:
。Google Chrome(推薦)
。Mozilla Firefox
。Microsoft Edge(Windows10以上的作業系統版本才可使用)

face我們了解您不想看到廣告的心情⋯ 若您願意支持巴哈姆特永續經營,請將 gamer.com.tw 加入廣告阻擋工具的白名單中,謝謝 !【教學】