引入

为什么原子核的质量小于组成它的质子和中子质量之和?

为什么轻核聚变和重核裂变都能释放能量?

为什么核力能克服质子之间的静电排斥?

原子核里的质子带正电,彼此强烈排斥。它们能挤在极小的空间里,说明存在一种比电磁力更强、但作用范围极短的力。结合能就是把核子拆开所需的能量,也是核能释放的度量。

正文

定义

结合能是把原子核完全分解为自由核子所需的最小能量。对应的质量差称为质量亏损。

质量亏损

原子核的质量总是小于其组成核子质量之和:

由质能关系 ,质量亏损对应结合能:

概念含义
质量亏损 自由核子结合成核时减少的质量
结合能 与质量亏损对应的能量
比结合能 每个核子平均贡献的结合能

核力

核力(强相互作用)是核子之间的短程力:

特征说明
强度约为电磁力的 100 倍
作用范围约 ,超过后急剧衰减
饱和性每个核子只与邻近核子作用
电荷无关质子-质子、质子-中子、中子-中子作用相近

核力的短程性解释了为什么比结合能在大核处下降:核子数增多后,核的表面效应和质子间斥力逐渐占优。

比结合能曲线

比结合能随质量数的变化是理解核能的关键:

区域质量数比结合能趋势结论
轻核随 增大而上升聚变放能
中等核(铁)最高,约 核子最稳定
重核随 增大而下降裂变放能

曲线在铁附近达到峰值,铁是最稳定的核素。这就是为什么:

  • 轻核聚变向铁靠近,释放能量
  • 重核裂变向铁靠近,释放能量
  • 铁既不能通过聚变也不能通过裂变放能

聚变与裂变的能量来源

聚变:轻核结合成较重的核,比结合能增大:

裂变:重核分裂成中等质量的核,比结合能增大:

项目聚变裂变
原料氢同位素铀、钚
触发条件极高温度中子轰击
单位质量放能更多较少
产物放射性较少较多

两者放能的共同原因:产物更靠近比结合能峰值。

核能的量级

铀-235 完全裂变约释放 ,相当于约 2 万吨 TNT。

对比:

过程单位质量释放能量
化学反应(煤燃烧)
核裂变
核聚变–

核反应比化学反应大六到七个数量级,原因是核结合能比化学键能大约 倍。

常见误区

错误说法问题
“结合能越大,核越稳定”应看比结合能
“质量亏损说明质量凭空消失”质量转化为能量
“裂变和聚变都能放能,所以铁也能”铁在峰值,两个方向都不放能
“核力是万有引力”是强相互作用,强度大得多

引出

为什么比结合能峰值在铁附近?这与恒星核聚变的终点有关。

核裂变的链式反应如何维持?临界质量是什么?

为什么核聚变需要极高温度?库仑势垒如何被克服?