在前面《核電站與燒火做飯有什么不同》這篇文章里，咱們說到了聚變的原理，即原子核之間的結(jié)合導(dǎo)致質(zhì)量虧損，從而產(chǎn)生巨大能量。那么核電站里面的裂變反應(yīng)，也是因?yàn)獒尫沤Y(jié)合能的緣故嗎？答案是肯定的！但那分明是鈾原子的分裂呀，別急，咱們這就詳細(xì)說來(lái)。
　　有一個(gè)核子他叫小明
　　有這么一個(gè)核子，他叫小明。雖然質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，但是呢，小明一開始絕對(duì)是個(gè)質(zhì)子，很簡(jiǎn)單，中子這家伙最怕孤獨(dú)了，當(dāng)他單身時(shí)，整個(gè)人就衰得不行，平均壽命也就15分鐘左右，確切地說大約14分42秒后，這個(gè)單身漢就會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，還有一個(gè)反中微子。而質(zhì)子則不同，用長(zhǎng)壽來(lái)形容他都顯得不恰當(dāng)，因?yàn)樗膲勖笥?.1×1029年，宇宙的年齡也才138億年左右呢。
　　不扯這些了，反正小明一開始是一個(gè)質(zhì)子就是啦！
　　話說，有一天，小明到處瞎逛，結(jié)果他遇到了另外一個(gè)小明，顯然，他也是獨(dú)自闖蕩宇宙的質(zhì)子，為做區(qū)分，暫時(shí)叫他小華。同性相斥，這在哪兒都是成立的，本來(lái)，他們兩個(gè)是不可能走在一起的，因?yàn)樗麄冎g的排斥力太大（都帶正電），但是很不幸，他倆在一顆恒星的內(nèi)部，也許是一顆中等質(zhì)量的恒星內(nèi)部，那里溫度高極了，所以小明和小華的速度極快，兩人迎頭高速相撞，結(jié)果就粘在一起啦，而膠水是一種叫做核力的厲害家伙。


圖1 粒子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度隨溫度升高而增強(qiáng)

　　小明和小華粘在一起后，如小明所愿，小華不再是一個(gè)質(zhì)子，他變成一個(gè)中子了。這把小明高興得，他把小花抱得緊緊的，小花是小明給她重新取的名字。
　　此刻，小明和小花組成了一個(gè)新家——氘（dāo）核。
　　小明說：花花，我發(fā)現(xiàn)，自從跟了你后，我的體重減輕了一點(diǎn)兒。
　　小花說：我也是的我也是的！可能是……咱們結(jié)合時(shí)產(chǎn)生了愛的火花，火花帶走了你我的一點(diǎn)兒體重吧。
　　小明說：嗯嗯，鐵定就是這個(gè)原因啦。
　　小明小花的小日子過得很幸福，他們的愿望是就這么幸幸福福地過一輩子，直到滄海桑田，宇宙毀滅。然而，他們這個(gè)愿望只維持了1萬(wàn)年。
　　有一天，一個(gè)不長(zhǎng)眼的質(zhì)子，他硬生生插了進(jìn)來(lái)。
　　“真好！”那個(gè)撞進(jìn)來(lái)的質(zhì)子說，“現(xiàn)在我們組成了新的家庭，氦3！哦也！”
　　小明和小花對(duì)看了一眼，沒有說話，只是嘆了一口氣。
　　良久，小明說了一句：奇怪，我的體重又變輕一點(diǎn)兒了。
　　小花說：我也是。
　　那個(gè)質(zhì)子也急忙說：我也是，我也是！
　　但是小明和小花還是沒有搭理他。
　　好幾萬(wàn)年又過去了。
　　有一天，他們這個(gè)叫做氦3的家庭，又在高速中撞到了另外一個(gè)氦3，咔嚓一聲，如電閃雷鳴，之前的那個(gè)質(zhì)子被撞飛了，還有另外一個(gè)質(zhì)子也被撞飛了。現(xiàn)在這個(gè)新家里面有4個(gè)核子，分別是小明和小花，還有另外的一個(gè)質(zhì)子和中子。這個(gè)新家叫做氦4。
　　小花：明明哥，咱倆現(xiàn)在是阿爾法粒子家的一部分了。唉，我的身體變得更輕了。
　　小明：別傷心，我聽說，中等質(zhì)量的恒星，聚變產(chǎn)物主要是氦4，所以咱倆應(yīng)該不會(huì)再換新家了。
　　然而，小明錯(cuò)了，很多萬(wàn)年后，他們又成了碳原子核家的一部分，后來(lái)又成為氧原子核家的一部分。最后，他們又成了鐵原子核家的一部分。
　　小明：哎呀呀，搞半天，咱倆不是呆在一個(gè)中等質(zhì)量的恒星里呀！
　　小花：是大質(zhì)量恒星！自從成為鐵核家的一份子后，我又變輕了好多好多！
　　小明：花花，你別難過。我聽說，在大質(zhì)量的恒星里面，只要產(chǎn)生了像鐵原子核、鎳原子核的時(shí)候，我們基本上就不會(huì)再變換新家了。
　　小花：為什么呀？
　　小明：因?yàn)椋偃缥覀z從鐵原子核家搬到鈾核家，我們的體重就會(huì)變重一點(diǎn)兒，而我們身體質(zhì)量變大的話，需要能量的注入才能完成。否則，咱們?cè)趺醋冎啬兀?br />　　小花：對(duì)對(duì)對(duì)，我也想起來(lái)了。
　　小明（拍了一下腦袋）：不好！我忽然想起一事，如果兩個(gè)鐵核不能再通過聚變產(chǎn)生能量的話，那那那……誰(shuí)來(lái)頂住這顆大質(zhì)量恒星自身的引力坍縮？
　　小花：啊？！
　　…………
　　就在小花的驚叫聲中，一個(gè)更大的聲響出現(xiàn)了，這也許是宇宙大爆炸以來(lái)，小明和小花聽得最大的一個(gè)聲響了。
　　…………
　　朦朦朧朧中，小花醒了過來(lái)，一看小明還在身邊，心里那個(gè)踏實(shí)感，真是難以言表。
　　小花：剛才怎么回事？
　　小明：超新星大爆發(fā)！
　　小花：我們?cè)谀睦铮?br />　　小明：一個(gè)更大的家，鈾核里！
　　小花：難怪，好多好多家庭成員，真擠呀。不過還好，我的體重增加了一些呢。明哥哥，你說咱倆總是在換新家，這什么時(shí)候是個(gè)頭呀！
　　小明：我們這個(gè)家叫做鈾235，他的半衰期是7億多年。假如有一堆鈾235，那么經(jīng)過7億年后，會(huì)有一半發(fā)生衰變。
　　小花：7億年！太好了，咱倆終于可以穩(wěn)定一段時(shí)間了。
　　…………
　　…………
　　好多億年又過去了，小明和小花親眼看見無(wú)數(shù)的鈾235發(fā)生了衰變，但他們所在的這個(gè)家還沒有，小明和小花感到很幸運(yùn)，他們害怕再換新家，因?yàn)槟菢拥脑挘麄兙陀锌赡芤珠_了，這是一件多么讓人傷心的事，在這浩渺的宇宙，分開即永別。
　　小明和小花身在超新星大爆發(fā)后產(chǎn)生的一片廣袤無(wú)邊的分子云里，也就是星云。后來(lái)，附近又發(fā)生了好幾次超新星大爆發(fā)，結(jié)果，在某個(gè)地方，星云開始收縮，密度開始升高，在那核心的地方，一個(gè)新的恒星正在誕生，它就是后來(lái)人類叫做太陽(yáng)的恒星。
　　小明和小花沒有成為太陽(yáng)的一部分，因?yàn)樗麄兊募遥?35質(zhì)量比較大，不像那些氫分子云，引力一吸就屁顛屁顛地跑過去了。他們圍繞那個(gè)后來(lái)叫做太陽(yáng)的恒星盤旋，在盤旋中，他們跟隨好多億萬(wàn)噸的鈾、鐵、硅等共同組成了一個(gè)后來(lái)叫做地球的行星。
　　有一天，小明推醒了熟睡中的小花。
　　小明：小花小花，地球行星誕生了一種叫做人類的生物，他們智慧非凡。
　　小花：有多非凡？
　　小明：你知道嗎，他們找到了我們的鄰居家，也就是鈾238，它的半衰期是44.68億年。
　　小花：這個(gè)我也知道呀，沒啥了不起的。
　　小明：但你知道嗎，他們利用鈾238的半衰期測(cè)出了地球的年齡啦！
　　小花：啊，怎么測(cè)的？
　　小明：很簡(jiǎn)單呀，就像一大串葡萄，假如每隔10天就會(huì)有一半的葡萄爛掉，只剩下葡萄核的話。那么數(shù)一數(shù)剩下的葡萄核就知道這一大串葡萄到底存在多少時(shí)間了。假設(shè)一串大葡萄原來(lái)有100粒，過10天后只剩下50粒，再過10天剩下25粒，人類數(shù)一數(shù)那一地的葡萄核，就知道這串大葡萄大約存在20天時(shí)間了。
　　小花：人類真聰明！我忽然愛上他們了，真的。
　　小明：還有還有哦，人類也喜歡上我們了，他們?cè)谝粋€(gè)叫做核電站的裝置里利用我們，為他們獲得源源不斷的能源。
　　小花：什么！怎么利用的？
　　小明：你知道的，100億噸鈾235，要經(jīng)過7億多年才會(huì)有50億噸發(fā)生衰變，只剩下50億噸。而現(xiàn)在，人類找到另一個(gè)加速鈾235裂變的方法了，只要用一顆像你一樣的中子轟擊咱們這個(gè)家，鈾235就會(huì)分裂成大小差不多的兩個(gè)中等質(zhì)量的新核，并產(chǎn)生巨大的能量。


圖2 通過中子轟擊鈾235產(chǎn)生裂變，釋放出能量和更多中子

　　小花：這真是一個(gè)奇跡，難道人類也通曉，我們核子在不同原子核里時(shí)的質(zhì)量變化？真有這般聰明？
　　小明：真的，他們?nèi)览玻∶總€(gè)核子組成像鈾這樣的新家時(shí)，核子損失的質(zhì)量并沒有在那些中等質(zhì)量的新家多。
　　小花：等等，就是我們從鈾核家搬到鋇原子核家的時(shí)候會(huì)變輕，他們連這也知道啦？
　　小明：是的。
　　小花：聰明的人類，你們居然如此性感！
　　…………
　　平均結(jié)合能
　　小明和小花的故事講完了。咱們?cè)賮?lái)看看里面的涉及的原理。
　　一個(gè)原子屬于什么元素，中子說話不管用，只有質(zhì)子說了算。


圖3 氕、氘、氚原子示意圖

　　在氫元素中，原子核里只有一個(gè)質(zhì)子的叫氕（pie）原子；由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成的叫做氘（dao）原子，由一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的叫做氚（chuan）。氕、氘、氚都是氫元素，它們互為同位素。
　　氕原子核里面只有一個(gè)質(zhì)子，它除了跟電子結(jié)合外，再?zèng)]有別的了，但是氘和氚不同，它們都是由2到3個(gè)核子組成。我們知道，多個(gè)核子結(jié)合成某原子核時(shí)會(huì)釋放核結(jié)合能，如果咱們把這個(gè)結(jié)合能除以原子核中核子的數(shù)量，就得到了平均每一個(gè)核子的結(jié)合能。問題來(lái)了，同樣一個(gè)核子，它在組成氘核時(shí)結(jié)合能大一些呢，還是組成氚核時(shí)結(jié)合能更大一些？答案是后者。


圖4 平均結(jié)合能示意圖

　　如上圖，橫坐標(biāo)是核子的數(shù)量，從1到270；縱坐標(biāo)是各種元素下的平均結(jié)合能，能量單位是兆電子伏。
　　可以看見，氚（ H3）的平均結(jié)合能在2.8兆電子伏左右，而氘（H2）只有1.1兆電子伏多一點(diǎn)。氫的下一位元素氦，從圖上可知，He4的平均結(jié)合能很高，He4（讀作氦4，其原子核也就是我們經(jīng)常聽說的α粒子。）是太陽(yáng)或者比太陽(yáng)質(zhì)量小的恒星中的主要聚變產(chǎn)物，在太陽(yáng)的核心里面，4個(gè)自由的質(zhì)子（也就是氕原子核）經(jīng)過幾個(gè)步驟，最終融合成氦原子核（α粒子），平均每秒鐘大約要有3.7×1038個(gè)質(zhì)子結(jié)合成為α粒子，并釋放出極其巨大的能量。太陽(yáng)產(chǎn)生的能量只有22億分之一傳到了地球，雖然分得很少很少，但就算這樣，太陽(yáng)每秒鐘輻射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。
　　鐵峰頂


圖5元素平均結(jié)合能峰頂為鐵元素

　　鐵元素處于最高位置附近，也就是說，56個(gè)核子共同組成鐵原子時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的結(jié)合能最大，比鐵還重得多的那些元素，其平均結(jié)合能是逐漸降低的。只有那些大質(zhì)量恒星，它們核心才可能產(chǎn)生鐵元素，而大質(zhì)量恒星的內(nèi)部如果開始生成鐵、鎳等元素時(shí)，那么就可以宣告恒星的末日到來(lái)了。
　　為什么這么說呢？
　　聚變時(shí)，能量的獲得是由質(zhì)量虧損得到的，虧損的質(zhì)量越多獲得的能量越大，所以我們能肯定，別看同樣都是核子，它們可偏心得很呢，當(dāng)它是在氘核里面時(shí)，因?yàn)槠骄Y(jié)合能小，所以每個(gè)核子質(zhì)量虧損的也就少，換句話說就是比較重一些，而在氦核中時(shí)，因?yàn)槠骄Y(jié)合能要大得多，虧損的的質(zhì)量也就大得多，所以核子要輕一些。
　　因此我們能得出這樣一個(gè)結(jié)論，某元素的平均結(jié)合能越大，那么這個(gè)元素中的每個(gè)核子就越輕。
　　前一代恒星送給地球的寶貴禮物
　　表面上，核電站利用的是鈾核的裂變，而太陽(yáng)上的產(chǎn)能方式是核與核的聚變，給人的感覺，這似乎是兩種不同類型的能源。然而，當(dāng)我們深入核子，以及核子在不同原子核里面的質(zhì)量變化，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是太陽(yáng)的核心還是在核電站的堆芯，它們獲取能源的方式無(wú)非是利用了核子的“偏心眼兒”——1個(gè)核子從鈾核家搬到鋇核家時(shí)，質(zhì)量變輕，這跟1個(gè)核子從氘核家搬到氦原子核家時(shí)質(zhì)量變輕是一樣一樣的。
　　大質(zhì)量恒星內(nèi)部聚變生成鐵、鎳等元素時(shí)，不能再通過更進(jìn)一步的核融合產(chǎn)生能量，也正因?yàn)榇耍阈莾?nèi)部再也沒有足夠能量抵抗恒星自身的引力從而向內(nèi)坍縮，于是便有了超新星大爆發(fā)，并再次產(chǎn)生巨大的能量，這些能量給那些中等元素融合成重元素助了一臂之力，鈾得以生成，那么反過來(lái)，當(dāng)鈾核再次分裂成中等質(zhì)量的兩個(gè)原子核時(shí)肯定要放出能量，這就是核電站里面每天都在發(fā)生的反應(yīng)。
　　顯而易見，地球上的鈾元素是那些大質(zhì)量恒星犧牲時(shí)的最后產(chǎn)物，換句話說，我們現(xiàn)在所用的核能全都是來(lái)自前一代恒星送給地球的寶貴禮物。
　　原子很小，一根頭發(fā)的寬度大約是100萬(wàn)個(gè)碳原子連起來(lái)的長(zhǎng)度。而一個(gè)小小的鈾原子裂變后產(chǎn)生的能量甚至可以移動(dòng)一粒小沙子。如此誘人的能源，怎能不讓人神往。2009年，美國(guó)人均耗電量1460度，而我國(guó)在2010時(shí)，人均耗電量只有364度。美國(guó)正在運(yùn)行的核電站有100多座，超過世界上任何國(guó)家。因此，關(guān)于核電站，我國(guó)的數(shù)量其實(shí)并沒有大家想的那么多。

有一個(gè)核子他叫小明

圖文簡(jiǎn)介

在前面《核電站與燒火做飯有什么不同》這篇文章里，咱們說到了聚變的原理……