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你知道嗎？“核能”只是個“冒名頂替者”？

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你知道嗎？“核能”只是個“冒名頂替者”？



能量有多種形式 ， 比如輻射能、熱運動能量、化學能量等 ， 其中用于生活、取暖、發電的煤和天然氣所蘊含的能量屬于化學能 ， 即原子外層價電子之間的相互作用能量改變而釋放的 。 人類利用化學能由來已久 ， 如原始社會中人類就開始逐步熟悉的火 。
原子能則是人類在20世紀的發明 。 那么“原子能”到底是什么呢？很多人都知道 ， “原子能”不是通過原子外層電子化學鍵改變而釋放出來的 。 所以 ， 雖然國內有“中國原子能科學研究院”這樣的知名科研單位 ， 日本也有原子力研究所 ， “原子能”在稱呼上也許還是有些名不副實 ， 而“原子能”的別名“核能”似乎顯得合適得多 。 的確 ， “原子能”的源就在于原子核 。
那好吧！那么“核能”的本質又是什么？許多人第一印象可能是 ， “核能”的本質可能是原子核釋放了部分的強相互作用能量 ， 而這個印象其實也是極大的誤解 。
本文討論這方面的一個簡單圖象：核反應堆中重原子核裂變過程釋放能量幾乎全部來自于原子核內的靜電能量 ， 即原子核釋放了質子之間部分靜電相互作用能量；而真正來自于強相互作用的能量并不多！而且來自強相互作用的部分起了相反的作用 ， 即反而吸收能量！！
很多人對于這個說法也許心里面一下子轉不過彎 ， 因為我們談到原子核時 ， 總是說：“原子核是什么？原子核是由質子和中子(統稱為核子)組成的強相互作用的量子多體系統 。 ”質子與正電子的電荷相同 ， 中子不帶電(為了方便 ， 下面我們把原子核內的質子數和核子數分別標記為 Z、A) 。 由于核子之間的強相互作用是吸引的 ， 比靜電相互作用的強度大 ， 因此核力才能克服質子之間的靜電排斥 ， 而把一堆帶有正電荷的質子們以及不帶電的中子們緊緊地團結在一起 。 在研究質子數比較小的原子核結構研究中 ， 人們還往往完全忽略質子之間的靜電能量帶來的能級改變；而這里聲稱原子核裂變能量來自于質子之間的靜電能 ， 這是怎么回事呢? 也許有些太奇怪了吧！
在開始回答這個問題之間 ， 我們先熟悉一下重核裂變過程釋放的能量 。
能量的國際單位是焦耳 ， 但是焦耳這個單位用來描述微觀系統來說太大了 。 在研究原子結構時能量人們常用電子伏特取代焦耳 ， 一個電子伏特等于 1.602 乘以 10 的負19次方焦耳；在核物理中人們常用兆電子伏特描述能量 ， 兆電子伏特等于1百萬電子伏特即1.602 乘以 10 的負13次方焦耳 。 選取這些單位既方便又在數值上大小適中 ， 也容易形成習慣；這就象計算中國GDP的單位要用萬億元人民幣為單位 ， 而不是以多少分錢為單位 。
人們在描寫原子核結合得是否緊密時 ， 一般采用單核子結合能；單個核子結合能越大 ， 原子核內核子的結合就越緊 。 原子核單核子結合能在核子數A為60左右時取得最大值 ， 大約為每核子8.8兆電子伏特; 核子數A 為110 左右時大約每個核子結合能為 8.5兆電子伏特；在很重的原子核如A 在240左右時大約為7.5兆電子伏特 ， 因此如果重原子核能一分為二 ， 那么產物中的單核子結合能就會增加 ， 即原子核內的質子和中子結合得更緊密 ， 這樣就能釋放能量 。 例如鈾元素(質子數為92)的同位素核子數A約為240 ， 如果裂變為兩個相等質量的兩個原子核 ， 那么平均每個核子大約釋放 1兆電子伏特的能量 。 這里每個核子釋放1兆電子伏特的能量就是我們上面說的“原子能” 。 通過裂變反應 ， 每個鈾原子核釋放出約240 兆電子伏特的能量 ， 而通常的木炭燃燒過程(即一個碳原子加一個氧分子生成二氧化碳)只釋放電子伏特量級的能量 。 因此 ， 如果獲得同樣數量的能量 ， “原子能”比化學能實在高效得太多了 。

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