核結合能
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核結合能(英語:Nuclear binding energy),又稱為原子能或核能,是由組成原子核的核子之間發生的反應釋放出的能量。同等質量下,原子能比化學反應中釋放的熱能要大數百萬倍,例如原子量為235的鈾元素,通過核裂變釋放的能量約為200,000,000電子伏特,而原子量為12的碳元素,通過燃燒這種化學反應釋放的能量僅為4.1電子伏特[1]。
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8b/Centrale_nucleare_di_Caorso_-_Piscina_Pila_Nucleare.jpg/260px-Centrale_nucleare_di_Caorso_-_Piscina_Pila_Nucleare.jpg)
1905年,物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出狹義相對論,之後作為推論,又提出質能方程E=mc²,其中E=能量,m=質量,c=光速常量。自此核能得到科學的解釋和開發利用。
實驗測量
編輯原子核由中子和質子構成。每個中子和質子都有自己的質量。但由於強相互作用與庫倫相互作用的存在,一個原子核的質量不完全等於每個中子和質子的質量和。
比如氦原子核的質量M( ) = 4.002603原子質量單位(u),質子(即氫原子核)的質量M( ) = 1.007825 u,中子的質量M(n) = 1.008665 u。氦核( )的質量與組成它的兩個質子與兩個中子的質量和不同:
2×M( ) + 2×M(n) = 2×1.007825 u + 2×1.008665 u = 4.032980 u;
M( ) = 4.002603u.
其差值為:
△M = 4.032980 u - 4.002603 u = 0.030377 u.
當兩個質子和兩個中子組成一個氦核時,要損失△M = 0.030377 u的質量。通過愛因斯坦的質能方程,可以算出由兩個質子和兩個中子形成一個氦核所釋放的能量:ΔE=ΔM × = 28.30兆電子伏特(MeV)。
原理
編輯核結合能主要由強相互作用引起。其中包括體積能、表面能、庫倫排斥能、對稱能和對能等組成。[2]
液滴模型
編輯由於原子核的結構與水滴的結構十分相近,可將原子核近似看做密度十分巨大的液滴來處理,這就是原子核的液滴模型[2]。
結合能與比結合能
編輯很顯然,組成原子的核子越多,它的結合能就越高。因此,我們不妨將原子核的結合能與核子數之比定義為一個新的物理量——比結合能(又稱平均結合能)。比結合能越大,原子核中的核子結合得越牢固,原子核越穩定。精密的物理檢測表明對於質量數偏低的原子,核子比結合能隨着質量數的增大而增大,而在鎂和鐵之間達到最大,之後便隨着質量數的增大而減小。因此可以得出,當重原子裂變成兩個或多個原子時,生成原子的結合能總和會大於原來重原子所具有的結合能,此間的差值便會以熱能的形式釋放出來,這便是核裂變反應。反之,當幾個輕原子結合,合成原子的結合能大於原本所有原子結合能之和,這便是核聚變反應放出能量的來源。
應用
編輯核能因為其巨大的能量具有強大的應用潛力但同時如果應用不當,落入反和平人士手中,其高強度能量卻有可能變成全人類的災難。核能一直備受抵制卻不可替代。 核能的應用主要集中在以下幾種形式: