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魔鬼的事业：原子核的结合能 也许莎士比亚要比我们自己更理解我们这个宇宙。 ——惠勒，物理学家 质能等当关系向我们提供了一种取之不尽、用之不竭的能源，它就是原子核的结合能。每一个学过初等物理学的人都知道，原子核由质子和中子构成。我们把这些组成原子核的粒子统称为核子。在原子核内，质子之间存在着静电排斥力，为了使原子核能够稳定地存在，核子之间必须有一种在短距离内比静电力强得多的吸引力，用以把质子拉住。这种力被称为强相互作用力，简称强力。由于强力非常强，它能够把核子牢牢地吸引住，因此，想要把原子核拆散，就必须对原子核做功，这意味着增加了原子核这个系统的能量。但是，能量就是质量，因此，原子核被拆散之后，各个核子的静质量之和必定比原子核本身的静质量大。这能够说明什么呢？设想我们不是把原子核拆散，而是用某种方法使核子相互结合，这样，结合之后的静质量就要比结合之前的静质量小。核子的结合使一部分静质量丢失了，这种情况叫做质量亏损。丢失了的静质量跑到哪里去呢？它变成了原子核的动能和辐射的能量。于是，核子结合成原子核的过程将释放能量。在太阳内部，每时每刻都发生着较轻的原子核结合成较重的原子核的过程，这样的核反应过程叫做轻核聚变。轻核聚变的过程会释放出巨大的能量，它能够维持太阳在长达100亿年的漫长的岁月中持续不断地向外发出光和热，有了这些光和热，地球上才能有生命，否则，就不会有“我们”在这里谈论这些问题了。 实际上，通常的释放能量的化学反应，比如燃烧和爆炸等过程，也会使反应物丢失一部分质量。化学反应实际上是组成物质的分子中的原子进行重新组合的过程，在反应过程中，反应物内部的多余的结合能将以化学能的形式被释放出来。核反应过程与化学反应过程类似，是组成原子核的质子和中子进行重新组合的过程，它所释放的结合能要比化学能巨大得多。 核反应能够释放出多少能量呢？为了对这个问题有一个较为定量的概念，我们来比较原子核的结合能和化学反应中的结合能。 先来看一看原子核的结合能。氘是氢的一种同位素，它由一个质子和一个中子组成。在自然界中，氘的含量是非常少的。通过实验可以得知，氘核的静质量是2.013553原子质量单位，质子的静质量是1.007276原子质量单位，中子的静质量是1.008665原子质量单位。用这些数据可以计算出一个中子与一个质子结合形成一个氘核时的质量亏损
这就是说，1千克的反应物（质子加中子）形成氘核时，丢失的质量
生成物（氘核）大约等于999克，可以近似地看做是1千克。因此，形成1千克的氘核所释放出来的能量大约等于
练习题：自由中子是不稳定的粒子，会通过反应
发生衰变。电子的静质量等于质子的静质量的1840分之一，中微子具有更小的静质量，大约等于电子的静质量的10万分之一。因此，在进行数值计算时完全可以忽略中微子的静质量。一个原子质量单位等于 解答：一个自由中子发生衰变时的质量亏损
因此，一个自由中子发生衰变时释放的能量
在原子世界中，涉及到能量时数值都很小，使用通常的国际单位制很不方便，物理学家更习惯用电子伏特做能量的单位。1电子伏特等于 练习题：一个氚核3H和一个质子可以结合成一个氦核4He，它的静质量等于4.001496原子质量单位，氚核3H的静质量等于3.01549原子质量单位。请计算1千克反应物形成氦核时的质量亏损和释放的能量。 解答：产生一个氦核的质量亏损
因此，1千克反应物形成氦核时丢失的质量
与此相应的能量
现在，让我们来看一看原子的结合能。由化学实验和物理学理论都可以得出，一个电子从氢原子中脱离出来所需要的能量是13.6电子伏特，这意味着质子与电子结合成氢原子时将释放这么多能量。我们看到，这个数值比自由中子衰变时释放的能量要小几万倍。于是，电子和质子结合成氢原子时，质量亏损
一个氢原子重约1.67×10-27千克，因此，形成1千克氢原子时的质量亏损
这比核反应的质量亏损小约10万倍。其他的化学反应的质量亏损和相应的化学能与氢原子的情况基本上是差不多的。我们看到，原子的结合能是如此小，以致在化学反应中质量的改变完全可以忽略。 通过以上简单的计算，我们看到，核聚变所释放的能量远远超过我们所熟悉的化学能。为了对核聚变释放的能量有一个更深刻的印象，我们来打一个比方。一片1克重的小纸片在一般情况下只能燃烧大约10秒钟，所释放的化学能几乎等于零。但是，如果设想让这1克的质量（这大约等于形成1千克氘时的质量亏损）全部变成能量释放出来，并且全部变成电能，那么，这些能量足够让一个100瓦的灯泡连续点亮3万年，这几乎就是一个海枯石烂的岁月了。 练习题：上面最后给出的3万年是怎样计算出来的？请你做出详细计算。并用计算结果说明这些电能对我们的现代化生活有何意义。 解答：形成1千克氘核时的质量亏损大约为1克，释放的能量大约等于1014焦耳。于是 1014焦耳 =100瓦×1012秒 ～ 100瓦×3万年 这个数字大约等于3×107瓩时，即3千万度电。这么多的电足够让一个约30万人的中等城市的居民过上一个炎热的夏天！ 通过以上简单的数值运算，我们察觉到了一种具有神奇魔力的能量形式：原子核的结合能，大多数时候，这种形式的能量被简称为原子能。为了对这种具有神奇魔力的能量有一个更深刻的认识，让我们来看一看太阳是靠燃烧什么东西来维持发光和发热的。现代天文学告诉我们（这个问题在本系列的另一部分内容中将会有更详细的介绍），太阳的表面温度高达几千度，中心温度更高，它每秒钟释放出来的能量非常巨大，相当于燃烧100亿吨煤所释放的能量。这样巨大的能量绝对不可能来自普通的燃烧、天然放射性衰变或者其它的化学反应过程。那么，在太阳上是什么东西在燃烧呢？ 在20世纪30年代发现了原子核反应后，物理学家和天文学家就认识到，太阳内部巨大的能量来自核聚变反应。聚变反应需要极高的温度，以使原子核获得足够高的速率来克服静电排斥力而聚合，因此，这种反应也叫做热核反应。比如说，启动一个由氢聚变成氦的反应需要约700万度的高温。太阳内部的高温正好为这种反应提供了一个理想的场所。 现在，让我们来做一个简单的计算，看一看太阳靠热核反应提供能量可以维持多长的寿命。太阳的质量大约是2×1030千克，每秒钟释放的能量（或者叫做辐射功率）大约是4×1026焦耳。 从上面的轻核聚变反应的计算中我们已经看到，在这种反应中丢失了的质量是反应物的质量的千分之几，详细的核物理学研究表明，这个比例大约等于0.7%。如果假定太阳在它的一生中将其核心部分十分之一的氢聚变成氦，那么，由于轻核聚变的结果，丢失的质量将达到
这些丢失的质量所对应的能量
这差不多就是太阳在一生中通过氢聚变成氦所释放的能量。由此可以计算出太阳的寿命
这个数字大约等于100亿年，它差不多就等于太阳这种类型的恒星的寿命。 |
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