A-level 物理 (进阶物理)/聚变

氘和氚的核聚变。

核聚变是指原子核结合在一起形成更大的原子核，并可能产生一些其他产物，包括能量。它自然发生在恒星中，氢原子核聚变形成更大的氢同位素，然后聚变成氦，在此过程中释放能量。

力量

由于原子核具有相同的电荷，因此它们由于电磁力而相互排斥。但是，在 1 到 3 飞米范围内，强力导致核子相互吸引，这种力的强度远大于电磁排斥力。因此，为了使两个原子核发生聚变，它们必须足够靠近，以使由于强核力而产生的重子之间的吸引力大于由于电磁力而产生的排斥力。如果是这种情况，那么这两个原子核将变成一个新的、更大的原子核。

用途

人类首次在氢弹中使用核聚变，其中发生核裂变反应，释放出足够的热能，从而使核聚变能够发生，这将释放出自由中子，使核裂变反应更加有效，更多的不稳定同位素发生裂变，同时在聚变过程中也释放出少量能量。截至撰写本文时（2020 年），商业上可行的聚变能尚未实现。然而，研究正在进行，特别是在库勒姆聚变能中心，以控制聚变反应，使其可用于发电。这样做的好处是核废料极少，因为主要产物是非放射性的氦，以及一些氚，氚的半衰期相对较短，只有 12 年。

结合能

小于铁-56 的原子核的聚变释放能量。这是因为，如果我们将两个原子核的所有重子都分开，然后将它们重新粘合成一个，我们将比将它们粘合成两个单独的原子核所需要的功少。结合能的差异是聚变反应释放的能量。这种能量可能被释放的“真实”粒子所获得，或者被“虚拟”粒子（如光子）所获得。

问题

c = 3 x 10⁸ ms⁻¹

1. 在太阳中，两个氚原子核 ($_{1}^{3}H$) 聚变形成氦-4 ($_{2}^{4}He$)。除了能量之外，还会产生什么？

2. 在更大的恒星中，碳-12 ($_{6}^{12}C$) 与氕 ($_{1}^{1}H$) 聚变。这将产生什么单个原子核？

3. 在此反应中，释放出 1.95 MeV 的能量。这对应于结合能的什么差异？

4. 如果所有这些能量都以光子的形式发射，它的频率是多少？

5. 为了约束聚变反应，可以使用电磁力。还可以使用什么其他力？为什么在地球上的聚变反应堆中不使用这种力？

解答