第十五章质 量 与 能 量【１2１】

直到19世纪结束时，人类对粒子能量的使用还仅仅停留在最多能利用原子与原子之间的结合能量。譬如在燃烧之类的化学反应中获得几个电子伏特的低能量。当时也确实一直以为1803年道尔顿发现的原子就是物质最小的单位了。1919年卢瑟福利用α粒子去轰击氮原子核，发现了质子是原子核的组成部分。α粒子是具有几百万电子伏特能量的粒子。

1932年法国物理学家居里夫人及其女儿、女婿约里奥·居里夫妇用来自铍的α粒子轰击石腊，打出质子，但很可惜的是他们与该微粒见了面又不相识；明明已经获得这种大能量的粒子，又白白放过了这次发现中子的大好机会。后来中子也就是在当年被英国物理学家查德威克认定的。在中子的发现过程，运用了能量守恒定律和动量守恒定律，也就是说在微粒子世界中再次证明了这两个定律的普遍适用性。

根据质能方程的结论，铀原子核裂变成两个小原子核时，由于极小的一点质量损失，释放出了巨大的能量。依据这个道理，1939年哈恩发现了铀核裂变，接着终于研制出了原子弹。

在所有原子核反应过程中，都严格遵守着电荷守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律及质量守恒定律。反过来说，这一系列来自于经典力学理论的定律，在微观世界的研究中，具体来说在核反应中，仍然是主要的理论依据。

人类进入原子核内部，是从1899年汤姆逊发现电子开始的，1913年玻尔提出了原子理论，对卢瑟福的原子行星模型进行了原子模型的改进。

在对原子核内部力的研究中发现核力是一种极强大的短程力，在原子核内质子之间的正电荷间具有很大的斥力，而这时核力必须是比电磁力大得多的吸引力，它不仅要抵消掉质子之间的斥力，还需要将核里面的质子、中子全都吸引在一起。但是又发现一旦质子和中子的距离达到10－15米数量级时，核力已变得非常小了，所以它又是一种短程力。

根据质能关系式：E=MC2我们可以看出来物体的总能量和它的质量成正比，但是两者之间有着一个很大的比例常数——C2，即光速的平方。质能方程式将一定的质量与一定的能量之间很严格的用数量关系维系在了一起，说明了它们之间相互对应的数量关系。但是在现代物理的观点中，认为质能方程所揭示的仅仅是它们之间相关联的数量关系，而并不是指它们之间可以相互转化，也就是说该方程并不意味着质量与能量具有一样的物理意义！

在核能的具体研究过程中，发现了这么一个普遍的规律，那就是原子核的质量亏损问题——原子核的质量总是比组成它的所有核子的质量总和要略小一些。而正是根据这微弱的一点质量差△M，人们算出来该原子核的结合能△E=△MC2。我们对原子核能的利用，就是设法利用这部分△E——结合能之间的差异。例如我们可以从一克铀的裂变中得到相当于约2.5吨煤燃烧时的能量。

根据计算，质量数为50~60的原子核的平均结合能最大，约为8.6mev。而质量数较小的轻核。及质量数较大的重核平均结合能都相对较小。例如铀约为7.6mev。这样人们就可以采用将重核铀分裂的方法，也就是用核裂变反应来获取原子能。具体来举例有：原子反应堆或原子弹。另外也可以采取将轻核聚变的方法来获取原子能，具体的例子是氢弹；极为遗憾的是目前人类还没有能力掌握受控核聚变。而这也是20世纪物理学所遗留下来的重大课题之一。

虽然人们已经计算出用7克氢核燃料核聚变时就能产生相当于6吨煤的能量，更尤其是氢核燃料是可以从海水中提取到的用之不尽的燃料，这对面临能源危机的人类来说有着多大的诱惑力；并且它对人类和环境的危害也只是现在所用的能源所造成危害的1%。但是受控核聚变要从理论上的成功，转化为进入实际应用阶段却并非易事。首先需要建造起能承受得起1亿度高温的熔炉；如今这么高的温度还仅仅在恒星中能找到，也就是说仅是天上有、人间还没有。

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