2、核力和結合能

　　我們知道化學反應過程中所釋放的能量，主要來源于把原子保持在分子中的力，這種力的大小與原子的外層電子分布結構有關。當兩個以上原子合攏在一起組成分子時，各原子的電子云就會發生變化，將組成共同的電子云把分子中的所有原子核籠罩在一起。在此同時并釋放出能量，通常稱為化學結合能。所以化合物分子的能量總是低于它所包含的各原子能量的總和。

　　與此類似，隱藏在原子核中的核能，就是起源于組成原子核的核子(質子和中子的統稱)之間的很強的作用力。特別是對于那些原子序數高的、質量大的原子核，它們聚攏著為數眾多的質子和中子。例如第83 號元素鉍，在核中有83 個帶正電荷的質子和126 個不帶電的中子，總共209 個核子彼此居然能擠成一團，在核內排列得如此緊密，也不因為質子間的靜電斥力而飛散開來。那么核子間到底是由一種什么樣的奇異力把它們連結在一起的呢?

　　當然，除了由電磁作用所造成的質子之間的靜電斥力外，根據具有質量的物體之間的相互作用核子間還存在著萬有引力。雖然核子間距離很小，可產生大的引力。但同時我們也知道，質子和中子的質量是那樣微小，所以它們之間的萬有引力一定是微不足道的，可略去不計。如果核內再也沒有其它作用力的影響，那么比萬有引力強10^37倍的電磁力，將使原子核處于極不穩定的狀態，這樣核內的質子勢必因巨大的靜電斥力向四面八方飛散開來。然而，事實恰恰相反，各種元素的原子核在自然界中都能穩定地存在著。質子不僅沒有隨便飛出核外，相反地還和中子緊密地結合在一起，這就意味著核子間必定還有另外一種遠比電磁力強得多的吸引力。

　　由于中于不帶電荷，故這種“力”一定不同于既包括吸引力，又包括排斥力的電磁相互作用力。當然更不同于微小的萬有引力，而是一種特別強大的短程相互作用力，并被稱作為“核力”。它也是目前所知的最強大的作用力，這種強相互作用也叫做第三種相互作用。雖然人們對其作用過程還不十分清楚，但核力本身卻有著許多很明顯的特性。

　　首先，它比電磁相互作用強130 倍左右。而且核力是必須在很小的距離內才能起作用的短程力。隨著核子間距離增加，核力將迅速減弱，一日超出核半徑，核力就很快下降到零。但是萬有引力和電磁力都是長程力，它們的強度都隨著距離的增加而減小，即和距離平方成反化。如能把地球和太陽之間的距離增加10 倍，那末萬有引力就下降到原來的百分之一。所以即使相隔數百萬公里，仍然可感受到萬有引力和電磁力的作用，而決不會下降到零。

　　其次，除氫核僅由一個質子組成外，其它核中都包括質子和中子。核力不僅存在于質子間，而且在中子間或中子和質子間都有核力存在，它們所表現的性質也基本相同。此外，從它們之間的結合能進行分析比較，發現它們的數值幾乎是相等的。由此可得強大的核力近似和電荷無關。

　　最后，核內所有核子之間并不是都有核力相互作用的。也就是說在核中，某個核子只與相互鄰近的數目有限的幾個核子之間存在著核力的作用。而與那些遠離的核子之間不發生任何作用，這種現象被稱為核力的飽和性。相比之下，庫侖力的范圍就要大得多，而且也不受帶電粒子數的限制，故是一種不會飽和的長程力。

　　當然，如果假設核力不存在飽和性，這樣由于核子間強相互作用，使得核子數多的原子核，核子間的排列就更緊密。也就是說，質量數越大的核，其單位體積內聚攏的核子數也越多。這樣就和前面所述，原子核單位體積中的平均核子數與質量數無關的結論發生矛盾。由此可知，核力確是具有飽和性的。

　　此外，核力與核子的自旋等也有關。但是核力的性質至今尚未完全搞清，這是有待于核科學家們繼續解決的難題。然而值得注意的是，對核質量作精確測定時，發現它總比核所包含的質子和中子質量之和要小。這就表明，單個核子的質量和要比多個核子結合成核的質數致大。即由于核子間強大的核力作用，迫使核子間排列得很緊密，結果發生了質量減小的現象。為此，核科學家把核子結合前后的質量差值，稱作謂核的“質量虧損”。例如，氦核是由4 個核子(2 個質子和2 個中于)所組成，2 個質子的質量加上2 個中子的質量2×1.007875+2×1.008665=4.032980u，而質譜儀測得的氦核質量為4.002603u，這樣結合前后的質量虧損4.032980-4.002603=0.030377u。根據愛因斯坦的質能公式，把氦核的質量虧損換算成能量為28.30 電子伏。就單個氦核而言，此數值可能很小。然而，我們如能形成1 克氦，則所釋放的能量將大得驚人，相當于190000 千瓦小時電能。

　　后來，人們通常把這種由核子結合成原子核時所放出的能量叫做核的總結合能。它隨原子核中的核子數不同而不同，即核子數越多，則核的總結合能也越大。另外，為了便于對各種原子核的結合能進行比較，往往采用每個核子的平均結合能更為有利，有時也稱它們比結合能。

　　在科學家們利用質譜儀對各種元素的核質量精確測定后，就能方便地從質量虧損計算出不同核的總結合能。發現它們隨著核子數的增加，總結合能也不斷增加。如果把質量數作為橫坐標，而縱坐標為對應的比結合能，就可得到核的比結合能曲線。

　　顯然由單個核子所組成的氫核(一個質子)，其結合能為零。而質量數低于20 的核，它們的比結合能變化比較復雜，并出現了幾個值得注意的峰值。其中氦、碳、氮和氧的比結合能峰值分別為7.08，7.69，7.48 和7.98 兆電子伏。相反鋰和重氫(氖核)的比結合能都很小，分別為5.34 和1.12 兆電子伏。隨著質量數的增加，在40～100 之間的最大比結合能約為8.7 兆電子伏。當質量數再大時比結合能又逐漸下降，直到鈾核以后降為7.6 兆電子伏左右。此現象也證明了核力的飽和性。

　　隨著核內核子數的改變，各種原子核結合的緊密程度是不一樣的，這可從它們不同的比結合能上反應出來。由此可得出兩種利用核能的途徑：

　　一種是核分裂法或稱核裂變法，即把比結合能比較小的重核，設法分裂成兩個或多個比結合能大的中等質量原子核，即可釋放出核能。

　　例如，將鈾核用中子轟擊裂變成鋇和鑭。裂變前鈾核的比結合能為 7.6 兆電子伏，而裂變后的中等核，其比結合能為8.5 兆電子伏，兩者相差0.9 個兆電子伏，而鈾核有235 個核子，則總的能量差值就為200 百萬電子伏左右。實際上鈾核裂變時，還要放出2～3 個中子，除去這部分能量后，即可得200 兆電子伏左右的裂變能。

　　這就是1939 年，梅特涅和她侄子弗里施等人一起發現的鈾核裂變現象，并測得200 兆電子伏左右的裂變能。另一種核能利用途徑是合成法或稱聚合法，即把比結合能較小的輕核，例如氘和氚，在特定的條件下把它們聚合成一個比結合能比較大的氦核，此時也可釋放出比裂變能還要大幾倍的能量。這種核反應過程通常稱為聚變反應，由于它需要在幾千萬攝氏度溫度的條件下才能實現，故又稱為“熱核反應”。

　　這種反應的實際例子是在1938 年，分別由德國出生的美國物理學家貝特和德國天文學家魏扎克各自獨立發現的。即他們發現太陽上的氫核在十億攝氏度的溫度下聚變成氦核，并釋放出27.6 兆電子伏能量。它是太陽能夠在過去大約四十六億年里不停地向地球輻射能量的重要依據，而且還能像目前那樣繼續輻射五十億年。為此，人們不必為太陽能的枯竭而擔心。

　　即使這樣，太陽上熱核反應所消耗的氫核數量仍然大得驚人，計算表明，每秒鐘內約有六億五千萬噸氫聚合成氦，相應地每秒約有四百六十萬噸質量消失掉，它們轉換成巨大的輻射能普照宇宙和大地，為地球上的萬物生長和人類的美好生活提供了必要的條件。