FHSST 物理学/原子核/核能

核能

原子核可以通过两种不同的反应类型产生能量，即裂变和聚变反应。裂变是原子核分裂成两个或多个碎片（较小的原子核）的过程。聚变是相反的过程：两个小原子核融合成一个更大的原子核。

可能会出现一个问题：为什么两种相反的过程都能产生能量？我们可以通过分解和聚变相同的原子核来制造一个取之不尽的能源吗？当然不行！能量守恒定律不能以任何方式被绕过。在谈论聚变和裂变时，我们谈论的是不同范围的原子核。只有当轻原子核聚变或重原子核裂变时，才会释放能量。

为了理解这是为什么，让我们回顾一下，为了释放能量，初始原子核的质量必须大于核反应产物的质量。质量差被转化为释放的能量。那么为什么产物原子核与初始原子核相比会损失一些质量？因为它们结合得更紧密，即它们的结合能更大。

图 15.3 显示了结合能 $B$ 每核子对构成原子核的核子数量 $A$ 的依赖关系。正如你所看到的，曲线在 $A\sim 50$ 左右达到 $\sim 9$ MeV 每核子的最大值。具有这种数量核子的原子核既不能通过聚变也不能通过裂变产生能量。它们是某种“灰烬”，不能作为燃料。与之形成对比的是，当非常轻的原子核彼此融合时，它们会产生结合得更紧密的产物，而当非常重的原子核分裂成更轻的碎片时，它们也会产生结合得更紧密的产物。

图 15.3： 每核子的结合能。

在裂变过程中，首先被发现和利用的是重原子核，例如铀或钚，分裂成两个带正电的碎片。这些碎片通过电场力相互排斥，并以高速分离，将它们的动能分布到周围物质中。

在聚变反应中，一切都是反向发生的。非常轻的原子核，如氢或氦的同位素，当彼此靠近到几 fm 的距离 ($1fm=10^{-13}$ cm) 时，会经历强烈的吸引力，克服了它们之间的库仑（即电）排斥力。结果，这两个原子核融合成一个单一的原子核。它们以极高的速度相互坍缩。为了形成一个稳定的原子核，它们必须摆脱多余的能量。这种能量通过发射一个中子或一个光子来释放。