魔鬼的事業(yè)：原子核的結合能
也許莎士比亞要比我們自己更理解我們這個宇宙。
——惠勒，物理學家
質(zhì)能等當關系向我們提供了一種取之不盡、用之不竭的能源，它就是原子核的結合能。每一個學過初等物理學的人都知道，原子核由質(zhì)子和中子構成。我們把這些組成原子核的粒子統(tǒng)稱為核子。在原子核內(nèi)，質(zhì)子之間存在著靜電排斥力，為了使原子核能夠穩(wěn)定地存在，核子之間必須有一種在短距離內(nèi)比靜電力強得多的吸引力，用以把質(zhì)子拉住。這種力被稱為強相互作用力，簡稱強力。由于強力非常強，它能夠把核子牢牢地吸引住，因此，想要把原子核拆散，就必須對原子核做功，這意味著增加了原子核這個系統(tǒng)的能量。但是，能量就是質(zhì)量，因此，原子核被拆散之后，各個核子的靜質(zhì)量之和必定比原子核本身的靜質(zhì)量大。這能夠說明什么呢？設想我們不是把原子核拆散，而是用某種方法使核子相互結合，這樣，結合之后的靜質(zhì)量就要比結合之前的靜質(zhì)量小。核子的結合使一部分靜質(zhì)量丟失了，這種情況叫做質(zhì)量虧損。丟失了的靜質(zhì)量跑到哪里去呢？它變成了原子核的動能和輻射的能量。于是，核子結合成原子核的過程將釋放能量。在太陽內(nèi)部，每時每刻都發(fā)生著較輕的原子核結合成較重的原子核的過程，這樣的核反應過程叫做輕核聚變。輕核聚變的過程會釋放出巨大的能量，它能夠維持太陽在長達100億年的漫長的歲月中持續(xù)不斷地向外發(fā)出光和熱，有了這些光和熱，地球上才能有生命，否則，就不會有“我們”在這里談論這些問題了。
實際上，通常的釋放能量的化學反應，比如燃燒和爆炸等過程，也會使反應物丟失一部分質(zhì)量。化學反應實際上是組成物質(zhì)的分子中的原子進行重新組合的過程，在反應過程中，反應物內(nèi)部的多余的結合能將以化學能的形式被釋放出來。核反應過程與化學反應過程類似，是組成原子核的質(zhì)子和中子進行重新組合的過程，它所釋放的結合能要比化學能巨大得多。
核反應能夠釋放出多少能量呢？為了對這個問題有一個較為定量的概念，我們來比較原子核的結合能和化學反應中的結合能。
先來看一看原子核的結合能。氘是氫的一種同位素，它由一個質(zhì)子和一個中子組成。在自然界中，氘的含量是非常少的。通過實驗可以得知，氘核的靜質(zhì)量是2.013553原子質(zhì)量單位，質(zhì)子的靜質(zhì)量是1.007276原子質(zhì)量單位，中子的靜質(zhì)量是1.008665原子質(zhì)量單位。用這些數(shù)據(jù)可以計算出一個中子與一個質(zhì)子結合形成一個氘核時的質(zhì)量虧損
這就是說，1千克的反應物（質(zhì)子加中子）形成氘核時，丟失的質(zhì)量
生成物（氘核）大約等于999克，可以近似地看做是1千克。因此，形成1千克的氘核所釋放出來的能量大約等于
練習題：自由中子是不穩(wěn)定的粒子，會通過反應
發(fā)生衰變。電子的靜質(zhì)量等于質(zhì)子的靜質(zhì)量的1840分之一，中微子具有更小的靜質(zhì)量，大約等于電子的靜質(zhì)量的10萬分之一。因此，在進行數(shù)值計算時完全可以忽略中微子的靜質(zhì)量。一個原子質(zhì)量單位等于
解答：一個自由中子發(fā)生衰變時的質(zhì)量虧損
因此，一個自由中子發(fā)生衰變時釋放的能量
在原子世界中，涉及到能量時數(shù)值都很小，使用通常的國際單位制很不方便，物理學家更習慣用電子伏特做能量的單位。1電子伏特等于
練習題：一個氚核3H和一個質(zhì)子可以結合成一個氦核4He，它的靜質(zhì)量等于4.001496原子質(zhì)量單位，氚核3H的靜質(zhì)量等于3.01549原子質(zhì)量單位。請計算1千克反應物形成氦核時的質(zhì)量虧損和釋放的能量。
解答：產(chǎn)生一個氦核的質(zhì)量虧損
因此，1千克反應物形成氦核時丟失的質(zhì)量
與此相應的能量
現(xiàn)在，讓我們來看一看原子的結合能。由化學實驗和物理學理論都可以得出，一個電子從氫原子中脫離出來所需要的能量是13.6電子伏特，這意味著質(zhì)子與電子結合成氫原子時將釋放這么多能量。我們看到，這個數(shù)值比自由中子衰變時釋放的能量要小幾萬倍。于是，電子和質(zhì)子結合成氫原子時，質(zhì)量虧損
一個氫原子重約1.67×10-27千克，因此，形成1千克氫原子時的質(zhì)量虧損
這比核反應的質(zhì)量虧損小約10萬倍。其他的化學反應的質(zhì)量虧損和相應的化學能與氫原子的情況基本上是差不多的。我們看到，原子的結合能是如此小，以致在化學反應中質(zhì)量的改變完全可以忽略。
通過以上簡單的計算，我們看到，核聚變所釋放的能量遠遠超過我們所熟悉的化學能。為了對核聚變釋放的能量有一個更深刻的印象，我們來打一個比方。一片1克重的小紙片在一般情況下只能燃燒大約10秒鐘，所釋放的化學能幾乎等于零。但是，如果設想讓這1克的質(zhì)量（這大約等于形成1千克氘時的質(zhì)量虧損）全部變成能量釋放出來，并且全部變成電能，那么，這些能量足夠讓一個100瓦的燈泡連續(xù)點亮3萬年，這幾乎就是一個海枯石爛的歲月了。
練習題：上面最后給出的3萬年是怎樣計算出來的？請你做出詳細計算。并用計算結果說明這些電能對我們的現(xiàn)代化生活有何意義。
解答：形成1千克氘核時的質(zhì)量虧損大約為1克，釋放的能量大約等于1014焦耳。于是
1014焦耳 =100瓦×1012秒 ～ 100瓦×3萬年
這個數(shù)字大約等于3×107瓩時，即3千萬度電。這么多的電足夠讓一個約30萬人的中等城市的居民過上一個炎熱的夏天！
通過以上簡單的數(shù)值運算，我們察覺到了一種具有神奇魔力的能量形式：原子核的結合能，大多數(shù)時候，這種形式的能量被簡稱為原子能。為了對這種具有神奇魔力的能量有一個更深刻的認識，讓我們來看一看太陽是靠燃燒什么東西來維持發(fā)光和發(fā)熱的。現(xiàn)代天文學告訴我們（這個問題在本系列的另一部分內(nèi)容中將會有更詳細的介紹），太陽的表面溫度高達幾千度，中心溫度更高，它每秒鐘釋放出來的能量非常巨大，相當于燃燒100億噸煤所釋放的能量。這樣巨大的能量絕對不可能來自普通的燃燒、天然放射性衰變或者其它的化學反應過程。那么，在太陽上是什么東西在燃燒呢？
在20世紀30年代發(fā)現(xiàn)了原子核反應后，物理學家和天文學家就認識到，太陽內(nèi)部巨大的能量來自核聚變反應。聚變反應需要極高的溫度，以使原子核獲得足夠高的速率來克服靜電排斥力而聚合，因此，這種反應也叫做熱核反應。比如說，啟動一個由氫聚變成氦的反應需要約700萬度的高溫。太陽內(nèi)部的高溫正好為這種反應提供了一個理想的場所。
現(xiàn)在，讓我們來做一個簡單的計算，看一看太陽靠熱核反應提供能量可以維持多長的壽命。太陽的質(zhì)量大約是2×1030千克，每秒鐘釋放的能量（或者叫做輻射功率）大約是4×1026焦耳。
從上面的輕核聚變反應的計算中我們已經(jīng)看到，在這種反應中丟失了的質(zhì)量是反應物的質(zhì)量的千分之幾，詳細的核物理學研究表明，這個比例大約等于0.7%。如果假定太陽在它的一生中將其核心部分十分之一的氫聚變成氦，那么，由于輕核聚變的結果，丟失的質(zhì)量將達到
這些丟失的質(zhì)量所對應的能量
這差不多就是太陽在一生中通過氫聚變成氦所釋放的能量。由此可以計算出太陽的壽命
這個數(shù)字大約等于100億年，它差不多就等于太陽這種類型的恒星的壽命。
