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(相關資料圖)

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

【山話嵓語】『數理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業余時間，將『數理化自學叢書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（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于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，力是不能使用質量單位的。】??

§10-1原子核的結合能

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

【02】圖10·1所示的曲線表明各種原子核的每一個核子平均結合能的大小，從圖中可以看出：對核子總數少（原子量小）的輕核與核子總數較多（原子量較大）的重核來講，核子的平均結合能較小；而對原子量中等的原子核來講，核子的平均結合能一般都比較大，數值也很相近；核子總數在 125 左右的原子核，核子的平均結合能最大，約為 百萬電子伏特，因而這種原子核也就最穩定。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合得較緊密的。結合能曲線指出：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量的原子核，都能從原子核內釋放出大量的能量。例如，鈾238(??U23?) 是由 92 個質子和 146 個中子構成的，它每個核子的平均結合能是 百萬電子伏特，這 238 個核子締結成為 ??U23? 的原子核時，總共可以放出的結合能是 ×238＝1785 百萬電子伏特；如果這 238 個核子不是構成鈾 238 而是構成兩個質量數中等的原子核，已知質量數中等的原子核的每一個核子平均結合能是比較大的，假使以每一個核子的平均結合能為 百萬電子伏特計算，那么這 238 個核子構成兩個中等的原子核所放出的結合能將是 ×238＝2047 百萬電子伏特。這表明：一個 ??U23? 的核分裂成為兩個原子量中等的原子核時，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 個質子和 2 個中子組成的，它每一個核子的平均結合能是 百萬電子伏特，這四個核子組成氦核時總共放出結合能 ×4＝ 百萬電子伏特；如果這四個核子不是聚合成一個氦核，而是聚合成兩個氘核(?H2)（每一個氘核是由一個質子和一個中子組成的），氘核的每個核子平均結合能是 百萬電子伏特，那么它們組成氘核時總共放出的結合能是 ×4＝ 百萬電子伏特。從平均結合能的大小來看，氫核比氘核結合得更緊密、更穩固，如果能將兩個氘核聚合成為一個氫核，那就能得到 －＝ 百萬電子伏特的結合能。

【03】以上是從理論上討論獲取原子核能的可能性，實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，（當然，并不是所有的嬗變都釋放能量，也有些核反應是吸收能量的）以鈾或鐳的蛻變為例：它們蛻變為新的元素時，質量數減小，結合能增大，這也就要釋放出一定量的結合能。1 克鐳經過若干次蛻變以后，完全變成穩定的鉛，在這過程中，它總共放出 34 億卡的熱量，這個數目之大是驚人的，它相當于 1 克上等好煤燃燒時所放出熱量的 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在完成蛻變時能夠放出大量的能量，但是，由于它們蛻變的半衰期很長，釋放原子能的過程也就非常緩慢，功率非常小，以致于實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 年才有半克鐳發生了蛻變；鈾的半衰期更長，鈾238的半衰期是 45 億年，這就是說，一公斤鈾在一天的時間內，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際意義的。

【04】我們再從原子核的人為嬗變來討論獲得原子能的可能性，下面是兩個人為嬗變的核反應方程式：；。從結合能曲線可以知道，這兩個核反應式中的生成物（?C12 和 ?He?）都比靶核（?Be? 和 ?Li?）的平均結合能大，它表明這兩種嬗變都伴有原子能的釋放。按 1 個質子擊中鋰核嬗變時放出 百萬電子伏特計算，一克質子完全擊中鋰的原子核，可以得到 ×1011 卡熱量，相當于 49 噸好煤完全燃燒時所發出的熱量，這個數量也是很可觀的。可是，問題在于用來轟擊靶核的質子（或 α 粒子）并不是很容易就能擊中原子核的，在一百萬個質子中，一般只有一個到兩個質子能夠擊中靶核，為了要使 1 克質子完全擊中鋰核，那就要用 1 百萬克質子，源源不斷地供給這樣多的質子，不僅在技術上是相當困難的，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，實際是在發現了原子核的裂變和鏈式反應以后開始的。