談談對核力與核能的理解

談核力之前，先說一下四種基本相互：萬有引力、電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用。萬有引力是質量引起的作用；電磁作用有電場力、磁場力（安培力、洛倫茲力），同時也是彈力和摩擦力的本質原因；弱相互作用能引起原子核的β衰變（高中階段，對於弱相互作用我們的了解也就僅此而已）。以上對三種基本相互作用做一個粗略的總結，下面重點說與核能相關的核力——也就是強相互作用。

我們知道，原子核由質子和中子構成，中子不帶電，質子帶正電，中子不能提供電磁引力，而質子卻能夠提供斥力，按照這個設計，核子不能聚合在一起，所以原子核是不應該存在的。為了達成原子核存在這一事實，這個時候，核力——即強相互作用出現了，也就是說，強相互作用不僅要把不帶電的中子粘合到一起，還要克服強大的質子間的斥力把質子粘合到一起，這個大概是強相互作用名稱的由來！核力有以下特點：（1）原子核尺度內，強相互作用比庫侖力大得多；（2）核力是短程力，作用範圍在m之內，大於

m表現為引力，小於

m表現為引力，超過m核力急劇下降；（3）每個核子只與鄰近的核子發生相互作用。

隨著原子核質量數增大，核子間距增大，核力和電磁力逐漸減小，但是核力減小得快，為了使原子核穩定，需要減少斥力而增加引力，所以，隨著核子數量增大，中子比例逐漸增大，原因就是需要更多的核力維持原子核穩定，減少庫侖力破壞原子核的穩定。

原子核穩定性的衡量標準。核子之間有核力相互吸引，把彼此束縛在一起，形成原子核。那麼，把一個原子核中的核子拆開，就需要消耗能量克服核力的強吸引作用，我們把一個原子核拆開為一個個獨立的核子所需要的最小能量，稱之為該原子核的結合能。組成原子核的核子數越多，原子核的結合能越高（這句話源自教材，曾經原句出現在高考試題中）。雖然原子核中核子數越多，結合能越大，把該原子核拆分為獨立的核子需要的能量越多，但是原子核的穩定性不是由結合能決定，而是另外一個物理量——比結合能（平均結合能）。所謂的比結合能，即結合能除以核子總數。比結合能越大，原子核中的核子結合越牢固，原子核越穩定。從數學來講，三個核子的原子核結合能可以比四個核子的原子核結合能大，只要三個核子的比結合能足夠大，但是客觀事實上不存在，為什麼？造物如此，可以不必往這個方向去想了！

核能的來源，是核反應過程中的質量虧損，其定量關係是愛因斯坦的質能方程。在核反應的過程中，質量數（核子數）不變，總質量減少，核子平均質量減少。這一過程，可以做一個形象的比喻，10個胖子，經過一個減肥過程（核反應），變成10個瘦子，人數沒有發生變化，但是每個人的平均質量下降了，總質量減少，質量發生虧損！自發的原子核衰變過程中有能量釋放，大量核能釋放需要核聚變過程或者是裂變過程。在核能釋放的過程中，核子平均質量下降，核子的平均結合能升高，總的結合能增加。教材3-5P82中，有比結合能隨原子質量數增加變化規律的圖像，隨著原子核質量數增加，核子平均結合能先增大後減小，也就是說中等原子核穩定，自然界中最穩定的是鐵原子核，比結合能最大，核子平均質量最小。那麼，如果把縱坐標改為核子的平均質量，那麼隨著原子核質量數的增大，核子平均質量應該是先減小後增大。

輕核聚變，重核裂變，兩個核反應的過程，都是向著核子平均質量減小，比結合能增大方向進行的，因此這兩個過程都會有核能釋放。

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