最后更新: 2025-10-24 09:14 查看: 326 次反馈能力测评会员8.2元/月赞助

核能与原子核的裂变

原子核衰变过程中伴有能量的释放。用经过人工加速的粒子轰击原子核，原子核发生人工转变过程中也有能量的释放。物理学家自 20 世纪 30 年代开始研究从核反应中获得能量的可能性。

## 核力

> **想一想**：原子核的半径很小，核子之间距离很近，质子之间的库仑斥力一定很强。为什么原子核还能保持稳定？

参考答案：原子核可以保持稳定，说明核子之间还存在一种比库仑斥力更强的作用力，且在原子核内部一定的距离范围内表现为相互吸引作用。

原子核内部的质子都带正电，库仑斥力有使质子彼此远离并使原子核解体的趋势，但原子核通常是稳定的。这一事实表明，原子核内一定有一种比库仑斥力更强的吸引力，使得核子彼此吸引并紧密地结合在一起。原子核内部的这种力称为**核力**（nuclear force）。

质子和质子、质子和中子以及中子和中子之间都存在核力，且核力大小是相同的，与核子是否带电无关。核力的作用范围大约在 $1.4 \times 10^{-15} m$（大约相当于质子的半径）以内，超出这一范围，核力迅速减小为零。因此，原子核中的每个核子仅仅与邻近的少数核子发生核力作用，核力比库仑力强 100 倍以上。

核力大小与距离有关，当核子间距离在 0.8 ~ 1.5 fm 时表现为吸引力，距离小于 0.8 fm 时表现为斥力，而距离大于 4 ~ 5 fm 时核力急剧下降，几乎消失。核力是强相互作用在核子层面的表现。

**想一想**：指出库仑力与核力的不同之处。
参考答案：库仑力是长程力，大小与电荷量乘积成正比、与距离的二次方成反比；而核力是短程力，只在核子尺度范围内起作用，且与电荷量无关，核力大小与距离的关系比较复杂。

## 原子核的结合能和平均结合能
要使一个核子脱离原子核，外界必须克服核力做功。因此，将原子核分解成彼此分离的核子，所有核子的能量之和比未分离的原子核能量大。例如，用能量为 2.22 MeV 的 $\gamma$ 粒子照射気核（ ${ }^2{ }_1 H$ ），会发生如下的核反应

$$
\gamma+{ }_1^2 H \rightarrow{ }_1^1 H+{ }_0^1 n
$$

反之，在中子和质子结合成気核的过程中会放出一个能量为 2.22 MeV 的 $\gamma$ 粒子。这表明，原子核分解成核子需要吸收一定的能量；核子结合成原子核时则放出同样大的能量。原子核各个核子彼此分离时的总能量与该原子核能量之差称为原子核的结合能（binding energy）。氞核的结合能为 2.22 MeV 。原子核的核子数越多，结合能越大。

事实上，原子核的质量小于组成原子核的所有核子的总质量，两者之差称为质量亏损。质量亏损 $\Delta m$ 与原子核的结合能 $E$ 之间的关系符合爱因斯坦提出的质能方程，即

$$
E=\Delta m c^2
$$

> **核反应释放能量的基本原理就是爱因斯坦质能方程。核反应前后发生质量亏损，亏损的质量乘以光速的二

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