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(相關(guān)資料圖)

【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第十章原子核能

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于焦耳；電荷的單位靜庫(kù)（1庫(kù)倫=3×10?靜庫(kù)）；電勢(shì)的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的。】??

§10-1原子核的結(jié)合能

【01】前面講過，原子核是由質(zhì)子和中子組成的，越重的元素（原子序數(shù)越大的元素），核內(nèi)含有核子數(shù)越多，質(zhì)量數(shù)也越大。原子核的體積是很小的，直徑一般在 10?13~10?12 厘米左右。核內(nèi)有帶正電的質(zhì)子，它們要相互排斥，由于任何兩個(gè)核子之間都存在著互相吸引的核力，才使得許多核子能夠結(jié)合得很緊密，成為穩(wěn)定的原子核。根據(jù)以前學(xué)過的知識(shí)，我們知道：任何兩個(gè)相互作用著的物體之間都有勢(shì)能存在，如果它們是相互吸引的，那么當(dāng)它們彼此靠近的時(shí)候，就要放出能量。例如，水蒸汽分子互相靠近、凝聚成小水滴的時(shí)候，放出一定數(shù)量的內(nèi)能；幾個(gè)原子結(jié)合成為分子的時(shí)候，要放出化學(xué)能。同樣，若干個(gè)核子結(jié)合成為原子核的時(shí)候也要放出一定的能量，這種能量叫做結(jié)合能。由于核力很強(qiáng)，許多核子結(jié)合成為原子核時(shí)，放出的結(jié)合能也很大，原子核釋放出的結(jié)合能跟組成這種原子核的核子總數(shù)的比值，也就是平均每個(gè)核子所釋放出的結(jié)合能，叫做平均結(jié)合能。核子結(jié)合成為不同元素的原子核時(shí)，釋放出的平均結(jié)合能是各不相同的，對(duì)于那些釋放出較多結(jié)合能的元素的原子核來講，核子的平均結(jié)合能較大，原子核結(jié)合得較緊密，核也較穩(wěn)定。所以原子核的平均結(jié)合能的大小，可以看作是原子核緊密程度的標(biāo)志。當(dāng)從平均結(jié)合能較小的核變成為平均結(jié)合能較大的新元素的原子核時(shí)，有一定數(shù)量的能量被釋放出來，這就是原子核能，簡(jiǎn)稱為原子能。

【02】圖10·1所示的曲線表明各種原子核的每一個(gè)核子平均結(jié)合能的大小，從圖中可以看出：對(duì)核子總數(shù)少（原子量小）的輕核與核子總數(shù)較多（原子量較大）的重核來講，核子的平均結(jié)合能較小；而對(duì)原子量中等的原子核來講，核子的平均結(jié)合能一般都比較大，數(shù)值也很相近；核子總數(shù)在 125 左右的原子核，核子的平均結(jié)合能最大，約為 百萬電子伏特，因而這種原子核也就最穩(wěn)定。在曲線的左端，還有幾處突起的地方，它們分別是 He?(氦)、Be?(鈹)、C12(碳)、O1?(氧) 等所在的位置，這些元素的原子核也是結(jié)合得較緊密的。結(jié)合能曲線指出：把很輕的原子核聚合成為較重的原子核，或者把重核分裂成為中等質(zhì)量的原子核，都能從原子核內(nèi)釋放出大量的能量。例如，鈾238(??U23?) 是由 92 個(gè)質(zhì)子和 146 個(gè)中子構(gòu)成的，它每個(gè)核子的平均結(jié)合能是 百萬電子伏特，這 238 個(gè)核子締結(jié)成為 ??U23? 的原子核時(shí)，總共可以放出的結(jié)合能是 ×238＝1785 百萬電子伏特；如果這 238 個(gè)核子不是構(gòu)成鈾 238 而是構(gòu)成兩個(gè)質(zhì)量數(shù)中等的原子核，已知質(zhì)量數(shù)中等的原子核的每一個(gè)核子平均結(jié)合能是比較大的，假使以每一個(gè)核子的平均結(jié)合能為 百萬電子伏特計(jì)算，那么這 238 個(gè)核子構(gòu)成兩個(gè)中等的原子核所放出的結(jié)合能將是 ×238＝2047 百萬電子伏特。這表明：一個(gè) ??U23? 的核分裂成為兩個(gè)原子量中等的原子核時(shí)，可以釋放出：2047－1785＝262 百萬電子伏特的原子核能。又如，氦(?He?)的原子核是由 2 個(gè)質(zhì)子和 2 個(gè)中子組成的，它每一個(gè)核子的平均結(jié)合能是 百萬電子伏特，這四個(gè)核子組成氦核時(shí)總共放出結(jié)合能 ×4＝ 百萬電子伏特；如果這四個(gè)核子不是聚合成一個(gè)氦核，而是聚合成兩個(gè)氘核(?H2)（每一個(gè)氘核是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成的），氘核的每個(gè)核子平均結(jié)合能是 百萬電子伏特，那么它們組成氘核時(shí)總共放出的結(jié)合能是 ×4＝ 百萬電子伏特。從平均結(jié)合能的大小來看，氫核比氘核結(jié)合得更緊密、更穩(wěn)固，如果能將兩個(gè)氘核聚合成為一個(gè)氫核，那就能得到 －＝ 百萬電子伏特的結(jié)合能。

【03】以上是從理論上討論獲取原子核能的可能性，實(shí)際上的情況又是怎樣的呢？我們很早就知道，蛻變和許多人為嬗變都伴有原子能的釋放，（當(dāng)然，并不是所有的嬗變都釋放能量，也有些核反應(yīng)是吸收能量的）以鈾或鐳的蛻變?yōu)槔核鼈兺懽優(yōu)樾碌脑貢r(shí)，質(zhì)量數(shù)減小，結(jié)合能增大，這也就要釋放出一定量的結(jié)合能。1 克鐳經(jīng)過若干次蛻變以后，完全變成穩(wěn)定的鉛，在這過程中，它總共放出 34 億卡的熱量，這個(gè)數(shù)目之大是驚人的，它相當(dāng)于 1 克上等好煤燃燒時(shí)所放出熱量的 萬倍。1 克鈾(??U23?) 全部完成一次 α 蛻變所放出的熱量也有 4 億卡。雖然這些放射性物質(zhì)在完成蛻變時(shí)能夠放出大量的能量，但是，由于它們蛻變的半衰期很長(zhǎng)，釋放原子能的過程也就非常緩慢，功率非常小，以致于實(shí)際上不能有效地加以利用。例如，鐳的半衰期是 1590 年，即 1 克鐳要過 1590 年才有半克鐳發(fā)生了蛻變；鈾的半衰期更長(zhǎng)，鈾238的半衰期是 45 億年，這就是說，一公斤鈾在一天的時(shí)間內(nèi)，由于蛻變而放出的熱量就只有 卡，而放射性元素蛻變的速度又不是人力所能改變的，所以通過蛻變來獲取原子能是沒有實(shí)際意義的。

【04】我們?cè)購(gòu)脑雍说娜藶殒幼儊碛懻摣@得原子能的可能性，下面是兩個(gè)人為嬗變的核反應(yīng)方程式：；。從結(jié)合能曲線可以知道，這兩個(gè)核反應(yīng)式中的生成物（?C12 和 ?He?）都比靶核（?Be? 和 ?Li?）的平均結(jié)合能大，它表明這兩種嬗變都伴有原子能的釋放。按 1 個(gè)質(zhì)子擊中鋰核嬗變時(shí)放出 百萬電子伏特計(jì)算，一克質(zhì)子完全擊中鋰的原子核，可以得到 ×1011 卡熱量，相當(dāng)于 49 噸好煤完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量，這個(gè)數(shù)量也是很可觀的。可是，問題在于用來轟擊靶核的質(zhì)子（或 α 粒子）并不是很容易就能擊中原子核的，在一百萬個(gè)質(zhì)子中，一般只有一個(gè)到兩個(gè)質(zhì)子能夠擊中靶核，為了要使 1 克質(zhì)子完全擊中鋰核，那就要用 1 百萬克質(zhì)子，源源不斷地供給這樣多的質(zhì)子，不僅在技術(shù)上是相當(dāng)困難的，而且成本也很高，所以用嬗變的方法來獲取大量的原子能仍舊是得不償失的。

【05】人們有效的獲得大量的原子能，實(shí)際是在發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以后開始的。