A-level 物理 (進階物理)/聚變

氘和氚的核聚變。

核聚變是指原子核結合在一起形成更大的原子核，並可能產生一些其他產物，包括能量。它自然發生在恆星中，氫原子核聚變形成更大的氫同位素，然後聚變成氦，在此過程中釋放能量。

力量

由於原子核具有相同的電荷，因此它們由於電磁力而相互排斥。但是，在 1 到 3 飛米範圍內，強力導致核子相互吸引，這種力的強度遠大於電磁排斥力。因此，為了使兩個原子核發生聚變，它們必須足夠靠近，以使由於強核力而產生的重子之間的吸引力大於由於電磁力而產生的排斥力。如果是這種情況，那麼這兩個原子核將變成一個新的、更大的原子核。

用途

人類首次在氫彈中使用核聚變，其中發生核裂變反應，釋放出足夠的熱能，從而使核聚變能夠發生，這將釋放出自由中子，使核裂變反應更加有效，更多的不穩定同位素發生裂變，同時在聚變過程中也釋放出少量能量。截至撰寫本文時（2020 年），商業上可行的聚變能尚未實現。然而，研究正在進行，特別是在庫勒姆聚變能中心，以控制聚變反應，使其可用於發電。這樣做的好處是核廢料極少，因為主要產物是非放射性的氦，以及一些氚，氚的半衰期相對較短，只有 12 年。

結合能

小於鐵-56 的原子核的聚變釋放能量。這是因為，如果我們將兩個原子核的所有重子都分開，然後將它們重新粘合成一個，我們將比將它們粘合成兩個單獨的原子核所需要的功少。結合能的差異是聚變反應釋放的能量。這種能量可能被釋放的“真實”粒子所獲得，或者被“虛擬”粒子（如光子）所獲得。

問題

c = 3 x 10⁸ ms⁻¹

1. 在太陽中，兩個氚原子核 ($_{1}^{3}H$) 聚變形成氦-4 ($_{2}^{4}He$)。除了能量之外，還會產生什麼？

2. 在更大的恆星中，碳-12 ($_{6}^{12}C$) 與氕 ($_{1}^{1}H$) 聚變。這將產生什麼單個原子核？

3. 在此反應中，釋放出 1.95 MeV 的能量。這對應於結合能的什麼差異？

4. 如果所有這些能量都以光子的形式發射，它的頻率是多少？

5. 為了約束聚變反應，可以使用電磁力。還可以使用什麼其他力？為什麼在地球上的聚變反應堆中不使用這種力？

解答