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发信人: flaxs (蒙娜丽莎的微笑), 信区: Green
标  题: 核能简史(2) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jul 20 10:18:50 2001) , 转信

 呈现在我们面前的五彩缤纷、变幻万千的物质世界都是由100多种元素组成的；组成元素
的最小单元叫原子，不同元素由不同原子组成；原子是由原子核和环绕原子核而不断运动
的电子组成的；原子核又由质子和中子（统称核子）组成。为了给原子核画像，尼尔斯·
玻尔提出了可以解释核的结合能、裂变和某些核反应等现象的“液滴模型”。电子、质子
、中子则是构成原子的最主要的三种“基本粒子”。

　　需要指出的是：（1）“基本粒子”是一个庞大的家族，迄今为止人们已发现的“基本
粒子”竟有310多种，它们被分成四大类，即：光子、轻子（含超子）；（2）“基本粒子
”并不基本，1963年美国科学家盖尔曼和兹维格提出质子、中子等“基本粒子”是由更小
的粒子“夸克”（Quark)组成的。经过科学家们的长期努力，人们在实验中果然找到了“
夸克”，并且先后发现了六种夸克即：上夸克（u)，下夸克(d)，奇夸克（s)，粲夸克(c)
，底夸克(b)和顶夸克(t)，正是它们组成了原子核内的各种“基本粒子”。从理论上讲，
夸克也是可分的。最近的实验也证实了这一点。
　　不同的原子大小差异不大，原子的直径约为10-8厘米。地球的直径是13000千米，如果
把苹果放大到地球那么大，那么苹果中的原子的大小差不多有真正的苹果那么大。 



　　原子的大小与质量

　　在原子中，电子的数目与其原子核中质子的数目相等，所以整个原子是呈电中性。原
子是非常小，非常轻的。其直径约为0.00000001厘米（10-8厘米）。原子的静止质量约为
1×10-27-1×10-23克，如果一滴水像地球那样重，它中间的一个原子才不过几千克。原子
的质量几乎全部集中在原子核上。国际上规定用碳-12原子质量的1/12作为原子质量单位，
其数值为1.6606×10-24克。这样，知道了碳原子的绝对质量，任何原子的绝对质量都可以
从它们的相对质量中算出。因为中子与质子的相对质量都接近于1，所以，原子核中的核子
数（质子和中子）就是原子的质量数。

　　1905年是核科技史上极为重要的一年。当年，阿尔伯特·爱因斯坦在他的陋室写出了
一篇题为《论运动物体的电动力学》的论文。正是在这篇区区9000字的论文中，他揭示了
狭义相对论的基本原理，提出了著名的质能关系式E=mc2(E为能量，m为质量，c为真空中的
光速），它表明物质的质量与能量是可以互换的。这为后来解释核裂变、热核聚变、正反
粒子湮没等现象提供了理论依据。1916年，爱因斯坦又创建了广义相对论。相对论是爱因
斯坦建立起来的一个宏大而深奥的理论体系，是20世纪人类最光辉的精神产品之一，无论
在科学上或哲学上都具有重大意义。 

　　原子核的大小与质量

　　原子核的直径为10-13-10-12厘米。它由一定数量的质子和中子组成，具有自旋、宇称
和电磁矩等性质。质子带正电荷；中子为中性粒子，不带电荷。在外界场或粒子的作用下
，原子可能失去部分外围电子。电子不足的原子我们称为正离子；原子也可以吸附电子，
此时它被称为负离子。自然界中最轻的原子核只由一个质子组成，它是氢的原子核；最重
的原子核由94个质子和150个中子组成，它是钚-244的原子核。人工合成的原子核的质子数
现已达到116。我们来看几个具体的原子、原子核结构的例子。
　　氢（H）原子：由1个质子（即氢原子核）和1个绕它高速旋转的电子组成； 　　　　
　氦（He）原子：由2个质子和2个中子（组成氦原子核）和绕氦原子核高速旋转的2个电子
组成；
　　氧（O）原子：由8个质子和8个中子（组成氧原子核）和绕氧原子核高速放置的8个电
子组成；
　　铀（U）原子：如铀-235由92个质子和143个中子（组成铀原子核）和绕铀原子核高速
旋转的92个电子组成。
　　原子核的质量并不等于组成原子核的核子质量之和。组成原子核的质子及中子的质量
之和与该原子质量之差称为该核的质量亏损。核子结合成原子核时，这种质量上的养活按
照质能关系，能释放出巨的大的能量，这种能量称为原子核的结合能。简单的氕核结合能
，大约等于2.225兆电子伏。可见，原子核中蕴藏着无穷无尽的能量，是一个能源宝库。

放射性与放射性衰变

　　原子核自发地放射出α，β，γ等射线的现象，称为放射性。
　　1898年，贝可勒尔等人通过试验，发现射线在磁场中的偏转现象。1898-1914年，卢瑟
福等人又区分出：β射线同阴极射线一样，是一种带负电的电子流；α射线是一种带正电
的粒子流即氦核流。γ射线是一种波长极短的电磁波，是能量极高的不带电的光子流。至
此，人们才揭示了天然射线的真面目。
　　中子数和质子数过多或偏少的核素都是不稳定的，它会自发地蜕变成另一种核素，同
时放出射线。这种现象叫做放射性衰变。放射性衰变主要有三种：α衰变、β衰变和γ衰
变。 

　　放射性活度是一定量的放射性物质在单位时间间隔内的核衰变数。它的法定计量单位
是贝可。1贝可=1次衰变每秒。它与旧单位居里的关系：1居里=3.7×1010贝可。在单一的
放射性衰变过程中，放射性核素的活度减少到其原有值一半所需的时间，称为半衰期。它
是放射性元素的一个特性常数。
　　原子核放射性衰变的规律为：放射性原子核的数目随时间按指数规律减少。鉴于α，
β，γ射线的电离作用和贯穿本领，在工农业生产和科学研究中有重要应用。

核素与同位素

　　具有特定质量数、南子数和核能态的一类原子称为核素。具有放射性的核素称为放射
性核素，不发生和极不易发生放射性衰变的核素，称为稳定核素。
　　质子数相同而中子数不相同的一类原子称为同位素。它们在元素周期表中占同一位置
。同位素的化学性质基本相同，但核特性不同。具有放射性的同位素就叫做放射性同位素
。存在于自然界中的放射性同位素叫做天然放射性同位素；用人工方法制造出的放射性同
位素叫做人工放射性同位素。不具有放射性的同位素，其原子核是稳定的，称为稳定同位
素。
　　同位素按其质量不同通常又分为轻同位素和重同位素。氢的同位素有氕、氘、氘；铀
的同位素主要有四种，即铀-238，铀-235，铀-234和铀-233。　 　　

　　氢气元素周期表中的第1号，也是原子结构最简单的元素。美国化学家尤里在1932年发
现氢的一种同位素，它被命名为“氘”。而氘的原子核中则由一个质子和一个中子构成。
1934年，卢瑟福预言氢存在着另一种同位素“三重氢”。同年，他与其他物理学家在静电
加速器上用氘核轰击固态氘靶，发现了轻元素的聚变现象，并制得了“氚”。
　　人们发现几利所有的元素都有同位素，周期表中第92号元素铀-238的原子是由92个电
子、92个质子和146个中子构成的。我们知道铀原子的相对原子量最初确定为238。但1935
年登普斯特发现铀原子中约有0.714%的铀-235，接着，邓肯又搞清楚了“铀核裂变”实际
上是铀-235核的裂变。铀-235核由92个质子和143个中子构成。周期表中的第94号元素钚-
240，钚-242等。此外，周期表中的第90号元素钍则有6种同位素，其中含量最多、寿命最
长的是钍-232。第三号元素是锂，也有两种同位素：锂-6，锂-7。上述物质（氢、铀、钚
、钍和锂）及其同位素都可作为获取核能的燃料。铀-235是自然界中存在的易于发生核裂
变的唯一核素；钚-239，铀-233等核素也易于裂变，但自然界中不存在，需要人工生产。


重核裂变与链式裂变反应



　　重原子核分裂成两个（少数情况下，可分裂成3个或多个）质量相近的碎片的现象称为
核裂变，例如铀核裂变。原子核自发地分裂成两个质量相近的碎片的现象称为自发裂变。

　　

　　易裂变原子核在中子的作用下发生裂变形成碎片，这些碎片及其衰变子体称为裂变产
物。裂变产物是多种多样核素的复杂混合物。

　　链式裂变反应是一系列的核裂变反应，其中每一次核裂变反应都是由前一次核裂变反
应所产生的中子引起的。核裂变反应的一个重要特点是一个易裂变核每吸收一个中子发生
裂变反应后平均放出2-3个次级中子。这些次级中子在一定条件下又有一部分引起其他易裂
变核的裂变，如此连续进行下去便形成链式裂变反应。


链式裂变反应分为自持型、发散型和收敛型三种。如果每次裂变产生的次级中子，平均有
一个能够引起下一级的裂变反应，则链式反应即可进行下去。这种情况称作自持链式反应
。与此对应的裂变系统的状态就称为临界状态。如果每次裂变产生的次级中子，平均有1个
以上能引起下一级的核裂变反应，则裂变反应规模将越来越大，就叫发散型链式反应，与
其相对应的裂变系统的状态称为超临界状态。如果每次裂变反应产生的次级中子平均不到
一个能引起下一级的核裂变反应，裂变反应的规模就愈来愈小，直到反应终止。这种链式
反应称为收敛型链式反应，与其相对应的裂变系统的状态称为次临界状态。

轻核聚变反应



　　两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量，这种反应叫轻核
聚变反应。它是取昨核能的重要途径之一。由于原子核间有很强的静电排斥力，因此在一
般条件下，发生聚变反应的概率很小。在太阳等恒星内部，因压力、温度极高，轻核才有
足够的动能去克服静电斥力而发生持续的聚变。自持的核聚变反应必须在极高的压力和温
度下进行，故称为“热核聚变反应”。它是太阳和其他恒星能量的来源。　


氢弹是利用氢的同位素氘、氚原子核的聚变反应，瞬时间释放出巨额能量以达到毁伤效果
的核武器（也称聚变弹或热核弹）。氢弹爆炸后，它释放能量的过程是不可控制的。为了
利用聚变能，人们还在进行“受控热核聚变”的试验研究。目前，正在试验的“受控热核
聚变反应装置”有两大类：磁约束装置（如托卡马克装置）和惯性约束装置（如激光打靶
装置）。





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