核结合能
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核结合能(英語:Nuclear binding energy),又稱為原子能或核能,是由组成原子核的核子之间发生的反应释放出的能量。同等质量下,原子能比化学反应中释放的热能要大数百万倍,例如原子量为235的铀元素,通过核裂变释放的能量约为200,000,000电子伏特,而原子量为12的碳元素,通过燃烧这种化学反应释放的能量仅为4.1电子伏特[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,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出狭义相对论,之后作为推论,又提出质能方程E=mc²,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。自此核能得到科学的解释和开发利用。
实验测量
编辑原子核由中子和质子构成。每个中子和质子都有自己的质量。但由于强相互作用与库伦相互作用的存在,一个原子核的质量不完全等于每个中子和质子的质量和。
比如氦原子核的质量M( ) = 4.002603原子质量单位(u),质子(即氢原子核)的质量M( ) = 1.007825 u,中子的质量M(n) = 1.008665 u。氦核( )的质量与组成它的两个质子与两个中子的质量和不同:
2×M( ) + 2×M(n) = 2×1.007825 u + 2×1.008665 u = 4.032980 u;
M( ) = 4.002603u.
其差值为:
△M = 4.032980 u - 4.002603 u = 0.030377 u.
当两个质子和两个中子组成一个氦核时,要损失△M = 0.030377 u的质量。通过爱因斯坦的质能方程,可以算出由两个质子和两个中子形成一个氦核所释放的能量:ΔE=ΔM × = 28.30兆电子伏特(MeV)。
原理
编辑核结合能主要由强相互作用引起。其中包括体积能、表面能、库伦排斥能、对称能和对能等组成。[2]
液滴模型
编辑由于原子核的结构与水滴的结构十分相近,可将原子核近似看做密度十分巨大的液滴来处理,这就是原子核的液滴模型[2]。
结合能与比结合能
编辑很显然,组成原子的核子越多,它的结合能就越高。因此,我们不妨将原子核的结合能与核子数之比定义为一个新的物理量——比结合能(又称平均结合能)。比结合能越大,原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定。精密的物理检测表明对于质量数偏低的原子,核子比结合能随着质量数的增大而增大,而在镁和铁之间达到最大,之后便随着质量数的增大而减小。因此可以得出,当重原子裂变成两个或多个原子时,生成原子的结合能总和会大于原来重原子所具有的结合能,此间的差值便会以热能的形式释放出来,这便是核裂变反应。反之,当几个轻原子结合,合成原子的结合能大于原本所有原子结合能之和,这便是核聚变反应放出能量的来源。
应用
编辑核能因为其巨大的能量具有强大的应用潜力但同时如果应用不当,落入反和平人士手中,其高强度能量却有可能变成全人类的灾难。核能一直备受抵制却不可替代。 核能的应用主要集中在以下幾種形式: