核能的起源是什么？
《核能》核能的起源是什么？,页面无弹窗的全文阅读!
核能的起源是裂变、聚变和放射性衰变。当某些类型的重原子变得不稳定并分裂成中等质量的两部分时，核裂变就发生了；核聚变则发生在轻原子受外力作用而结合成较重原子的时候。当不稳定的原子释放出能量而变得稳定时，就发生了放射性衰变。所有这三个过程，都涉及力的相互作用和质量转化为能量的过程。
我们了解核能的故事早在2400年前的古希腊就开始了，那时德谟克利特(Democritus)，一位前苏格拉底时期的希腊哲学家，就猜测世界是由不可分的实体组成的，他把这种实体叫作“原子”。而现代科学已经证明物质事实上是由原子组成的，科学家已经知道这些原子是可分的，能够分成几个相互分离的部分。原子的两个主要部分是作为原子中心的核和包围在核周围的电子云。原子核包含有两种类型的粒子：质子和中子。质子是带有正电荷的粒子，它们施力于其他的带电粒子上面，如别的质子、带负电的电子等。带不同电荷的客体，如一个电子和一个质子，相互吸引；而带相同电荷的客体，如两个质子或者两个电子，则相互排斥。这就是电的吸引力和排斥力。
如果仅仅是由这些力操控原子，那么原子核将会崩裂，因为原子核内的质子是相互排斥的。但是这种情况没有发生。所以一定还有一种吸引力，使得一个原子核结合在一起。这种力称为“强核力”。中子也能感知到强核力，因此中子对保持原子核结合在一起也有贡献。不过，中子不带电荷，所以感知不到电磁力。
理解核能的关键，在于弄清楚原子核内部相互排斥的电磁力和相互吸引的强核力之间的强弱问题。如果排斥力超过了吸引力，原子核就不稳定。一个不稳定的物体可以通过改变它的能量或质量变得更稳定。例如，山顶上的小球比山脚下的小球来得不稳定。小球感受到质量巨大的地球对它的吸引力。重力试图把小球拉下山来。轻轻一触小球，它就能够滚下山来。如果小球滚下山，最终留在山底，它就从引力势能高的位置滚到了引力势能低的位置。小球在低的位置比在高的位置更稳定。
原子核的稳定性是由其中的质子和中子结合的紧密程度决定的。非常稳定的原子核的质子和中子非常牢固地结合在一起。通过测量原子核的结合能，核科学家能够定量地确定稳定性的大小。计算的方法是：先测出质子和中子的总质量(假定它们没有被束缚在原子核中)，然后减去原子核的质量。一个单独的中子或质子，在原子核外面的质量总是大于在原子核里面的质量。质量有差别是因为当中子和质子结合在一起时，有非常小的一部分质量转化成能量了。能量和质量是精确相关的。按照爱因斯坦的著名公式，能量等于质量乘以光速的平方。因为光速是一个很大的数，而且在此方程中这个数还要自乘一次，一个非常小的质量乘以一个非常大的数，结果得到了一个数量级非常可观的结合能。
有了此种结合能的知识，就能理解核能是如何释放的。下一个重要概念是各种类型原子的核有着不同的结合能。铁是中等质量的元素，它有着结合得最为紧密的原子核，因而平均结合能最大。诸如氢、氦和锂等轻元素的原子核，其结合能一般来说比其他元素小。诸如铀和钚之类重元素的原子核的结合能，比铁原子核的结合能要小，但一般来说，比一些轻元素的原子核的结合能大。这些观察使人们认识到，形成紧密结合的原子核有两种途径。
第一种途径是把轻核聚合起来形成一种更重的、结合得更紧密的原子核。重核和轻核的结合能之差，就是轻核在聚合时释放出的核能。这种聚合要通过聚变反应才能发生，在聚变反应中相互吸引的强核力超过了相互排斥的电磁力，因此两个轻核被拉拢在一起了。核聚变的能量被分配给作为反应产物的重核和中子，以及能量高而不可见的γ射线的动能(运动的能量)。除此之外，聚变反应也产生不带电和几乎没有质量的中微子，它们也带走一小部分核聚变能，但是因为中微子与物质的相互作用非常微弱，它们带走的能量不能被收集起来用于做功，例如发电。在后面，你会了解到引起聚变的不同方法，以及利用它来发电的困难所在。
第二种释放核能的途径是分裂结合得不太紧的重核，形成结合得更紧的中等质量的原子核。特别是，一个重核分裂成两个中等质量的原子核并产生2~3个中子。中等质量的原子核称为“裂变产物”。中等质量的原子核和重核之间的结合能之差可以作为核裂变能释放出来。裂变意为把某物分裂成两个或更多的部分。虽然某些类型的重而不稳定的原子核会以很小的概率发生裂变，但是裂变通常是吸收一个中子而触发的，类似轻轻触动山顶上的小球那样。这样，吸收中子使得原子核颤动然后分裂。与聚变反应类似，裂变反应也把释放出的能量分配给裂变产物和中子以及γ射线，作为它们的动能。(裂变反应也产生中微子并带走一小部分的裂变能，但与聚变一样，并不能利用这部分能量来发电。)后面，你将会知道在核弹或核反应堆中引起裂变的不同方法。
通过理论探索和实验研究，核物理学家已经发现最容易发生裂变的是那些原子质量数为奇数的重核，原子质量数是原子核内质子和中子的总数。例如，铀-235的原子核有92个质子和143个中子，因为每个质子和中子都具有1个原子质量单位，所以两者相加等于235个原子质量单位，这就是铀-235中有数字指标的原因。铀-235是众所周知的“可裂变物质”，因为它容易发生裂变。其他一些裂变物质有镅-241、钚-239，以及铀-233。相反，一些原子质量为偶数的原子核，如钍-232、钚-238和铀-238则不是可裂变物质(但是资源丰富)，它们吸收1个中子后可以转变为可裂变物质。这种转变是通过放射性衰变发生的。
放射性衰变是释放核能的最后过程。放射性衰变不像裂变和聚变都依赖强核力，它是由“弱核力”控制的，称之为弱核力是因为它比强核力微弱。不稳定的原子核可以通过衰变而变得稳定，或者转变成更稳定的另一种原子核。例如，几乎所有的裂变产物都是不稳定的，最终都将会衰变。根据裂变产物的类型，这种衰变可能发生得非常快，不到一秒钟，或者可能发生在数百万年间。在放射性衰变中，能量以电离辐射的形式释放出去，这将在下一节中讨论。