FHSST 物理學/原子核/核能

核能

原子核可以透過兩種不同的反應型別產生能量，即裂變和聚變反應。裂變是原子核分裂成兩個或多個碎片（較小的原子核）的過程。聚變是相反的過程：兩個小原子核融合成一個更大的原子核。

可能會出現一個問題：為什麼兩種相反的過程都能產生能量？我們可以透過分解和聚變相同的原子核來製造一個取之不盡的能源嗎？當然不行！能量守恆定律不能以任何方式被繞過。在談論聚變和裂變時，我們談論的是不同範圍的原子核。只有當輕原子核聚變或重原子核裂變時，才會釋放能量。

為了理解這是為什麼，讓我們回顧一下，為了釋放能量，初始原子核的質量必須大於核反應產物的質量。質量差被轉化為釋放的能量。那麼為什麼產物原子核與初始原子核相比會損失一些質量？因為它們結合得更緊密，即它們的結合能更大。

圖 15.3 顯示了結合能 $B$ 每核子對構成原子核的核子數量 $A$ 的依賴關係。正如你所看到的，曲線在 $A\sim 50$ 左右達到 $\sim 9$ MeV 每核子的最大值。具有這種數量核子的原子核既不能透過聚變也不能透過裂變產生能量。它們是某種“灰燼”，不能作為燃料。與之形成對比的是，當非常輕的原子核彼此融合時，它們會產生結合得更緊密的產物，而當非常重的原子核分裂成更輕的碎片時，它們也會產生結合得更緊密的產物。

圖 15.3： 每核子的結合能。

在裂變過程中，首先被發現和利用的是重原子核，例如鈾或鈽，分裂成兩個帶正電的碎片。這些碎片透過電場力相互排斥，並以高速分離，將它們的動能分佈到周圍物質中。

在聚變反應中，一切都是反向發生的。非常輕的原子核，如氫或氦的同位素，當彼此靠近到幾 fm 的距離 ($1fm=10^{-13}$ cm) 時，會經歷強烈的吸引力，克服了它們之間的庫侖（即電）排斥力。結果，這兩個原子核融合成一個單一的原子核。它們以極高的速度相互坍縮。為了形成一個穩定的原子核，它們必須擺脫多餘的能量。這種能量透過發射一箇中子或一個光子來釋放。