為什麼核子是個偏心眼兒？

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

在前面《核電站與燒火做飯有什麼不同》這篇文章里，咱們說到了聚變的原理，即原子核之間的結合導致質量虧損，從而產生巨大能量。那麼核電站裡面的裂變反應，也是因為釋放結合能的緣故嗎？答案是肯定的！但那分明是鈾原子的分裂呀，別急，咱們這就詳細說來。

有一個核子他叫小明

有這麼一個核子，他叫小明。雖然質子和中子統稱為核子，但是呢，小明一開始絕對是個質子，很簡單，中子這傢伙最怕孤獨了，當他單身時，整個人就衰得不行，平均壽命也就15分鐘左右，確切地說大約14分42秒後，這個單身漢就會衰變成一個質子和一個電子，還有一個反中微子。而質子則不同，用長壽來形容他都顯得不恰當，因為他的壽命大於2.1×1029年，宇宙的年齡也才138億年左右呢。

不扯這些了，反正小明一開始是一個質子就是啦！

話說，有一天，小明到處瞎逛，結果他遇到了另外一個小明，顯然，他也是獨自闖蕩宇宙的質子，為做區分，暫時叫他小華。同性相斥，這在哪兒都是成立的，本來，他們兩個是不可能走在一起的，因為他們之間的排斥力太大（都帶正電），但是很不幸，他倆在一顆恆星的內部，也許是一顆中等質量的恆星內部，那裡溫度高極了，所以小明和小華的速度極快，兩人迎頭高速相撞，結果就粘在一起啦，而膠水是一種叫做核力的厲害傢伙。

圖1 粒子熱運動劇烈程度隨溫度升高而增強

小明和小華粘在一起後，如小明所願，小華不再是一個質子，他變成一個中子了。這把小明高興得，他把小花抱得緊緊的，小花是小明給她重新取的名字。

此刻，小明和小花組成了一個新家——氘（dāo）核。

小明說：花花，我發現，自從跟了你後，我的體重減輕了一點兒。

小花說：我也是的我也是的！可能是……咱們結合時產生了愛的火花，火花帶走了你我的一點兒體重吧。

小明說：嗯嗯，鐵定就是這個原因啦。

小明小花的小日子過得很幸福，他們的願望是就這麼倖幸福福地過一輩子，直到滄海桑田，宇宙毀滅。然而，他們這個願望只維持了1萬年。

有一天，一個不長眼的質子，他硬生生插了進來。

「真好！」那個撞進來的質子說，「現在我們組成了新的家庭，氦3！哦也！」

小明和小花對看了一眼，沒有說話，只是嘆了一口氣。

良久，小明說了一句：奇怪，我的體重又變輕一點兒了。

小花說：我也是。

那個質子也急忙說：我也是，我也是！

但是小明和小花還是沒有搭理他。

好幾萬年又過去了。

有一天，他們這個叫做氦3的家庭，又在高速中撞到了另外一個氦3，咔嚓一聲，如電閃雷鳴，之前的那個質子被撞飛了，還有另外一個質子也被撞飛了。現在這個新家裡面有4個核子，分別是小明和小花，還有另外的一個質子和中子。這個新家叫做氦4。

小花：明明哥，咱倆現在是阿爾法粒子家的一部分了。唉，我的身體變得更輕了。

小明：別傷心，我聽說，中等質量的恆星，聚變產物主要是氦4，所以咱倆應該不會再換新家了。

然而，小明錯了，很多萬年後，他們又成了碳原子核家的一部分，後來又成為氧原子核家的一部分。最後，他們又成了鐵原子核家的一部分。

小明：哎呀呀，搞半天，咱倆不是呆在一個中等質量的恆星里呀！

小花：是大質量恆星！自從成為鐵核家的一份子後，我又變輕了好多好多！

小明：花花，你別難過。我聽說，在大質量的恆星裡面，只要產生了像鐵原子核、鎳原子核的時候，我們基本上就不會再變換新家了。

小花：為什麼呀？

小明：因為，假如我倆從鐵原子核家搬到鈾核家，我們的體重就會變重一點兒，而我們身體質量變大的話，需要能量的注入才能完成。否則，咱們怎麼變重呢？

小花：對對對，我也想起來了。

小明（拍了一下腦袋）：不好！我忽然想起一事，如果兩個鐵核不能再通過聚變產生能量的話，那那那……誰來頂住這顆大質量恆星自身的引力坍縮？

小花：啊？！

…………

就在小花的驚叫聲中，一個更大的聲響出現了，這也許是宇宙大爆炸以來，小明和小花聽得最大的一個聲響了。

…………

朦朦朧朧中，小花醒了過來，一看小明還在身邊，心裡那個踏實感，真是難以言表。

小花：剛才怎麼回事？

小明：超新星大爆發！

小花：我們在哪裡？

小明：一個更大的家，鈾核里！

小花：難怪，好多好多家庭成員，真擠呀。不過還好，我的體重增加了一些呢。明哥哥，你說咱倆總是在換新家，這什麼時候是個頭呀！

小明：我們這個家叫做鈾235，他的半衰期是7億多年。假如有一堆鈾235，那麼經過7億年後，會有一半發生衰變。

小花：7億年！太好了，咱倆終於可以穩定一段時間了。

…………

…………

好多億年又過去了，小明和小花親眼看見無數的鈾235發生了衰變，但他們所在的這個家還沒有，小明和小花感到很幸運，他們害怕再換新家，因為那樣的話，他們就有可能要分開了，這是一件多麼讓人傷心的事，在這浩渺的宇宙，分開即永別。

小明和小花身在超新星大爆發後產生的一片廣袤無邊的分子雲里，也就是星雲。後來，附近又發生了好幾次超新星大爆發，結果，在某個地方，星雲開始收縮，密度開始升高，在那核心的地方，一個新的恆星正在誕生，它就是後來人類叫做太陽的恆星。

小明和小花沒有成為太陽的一部分，因為他們的家，鈾235質量比較大，不像那些氫分子雲，引力一吸就屁顛屁顛地跑過去了。他們圍繞那個後來叫做太陽的恆星盤旋，在盤旋中，他們跟隨好多億萬噸的鈾、鐵、硅等共同組成了一個後來叫做地球的行星。

有一天，小明推醒了熟睡中的小花。

小明：小花小花，地球行星誕生了一種叫做人類的生物，他們智慧非凡。

小花：有多非凡？

小明：你知道嗎，他們找到了我們的鄰居家，也就是鈾238，它的半衰期是44.68億年。

小花：這個我也知道呀，沒啥了不起的。

小明：但你知道嗎，他們利用鈾238的半衰期測出了地球的年齡啦！

小花：啊，怎麼測的？

小明：很簡單呀，就像一大串葡萄，假如每隔10天就會有一半的葡萄爛掉，只剩下葡萄核的話。那麼數一數剩下的葡萄核就知道這一大串葡萄到底存在多少時間了。假設一串大葡萄原來有100粒，過10天後只剩下50粒，再過10天剩下25粒，人類數一數那一地的葡萄核，就知道這串大葡萄大約存在20天時間了。

小花：人類真聰明！我忽然愛上他們了，真的。

小明：還有還有哦，人類也喜歡上我們了，他們在一個叫做核電站的裝置里利用我們，為他們獲得源源不斷的能源。

小花：什麼！怎麼利用的？

小明：你知道的，100億噸鈾235，要經過7億多年才會有50億噸發生衰變，只剩下50億噸。而現在，人類找到另一個加速鈾235裂變的方法了，只要用一顆像你一樣的中子轟擊咱們這個家，鈾235就會分裂成大小差不多的兩個中等質量的新核，併產生巨大的能量。

圖2 通過中子轟擊鈾235產生裂變，釋放出能量和更多中子

小花：這真是一個奇蹟，難道人類也通曉，我們核子在不同原子核里時的質量變化？真有這般聰明？

小明：真的，他們全知道啦！每個核子組成像鈾這樣的新家時，核子損失的質量並沒有在那些中等質量的新家多。

小花：等等，就是我們從鈾核家搬到鋇原子核家的時候會變輕，他們連這也知道啦？

小明：是的。

小花：聰明的人類，你們居然如此性感！

…………

平均結合能

小明和小花的故事講完了。咱們再來看看裡面的涉及的原理。

一個原子屬於什麼元素，中子說話不管用，只有質子說了算。

圖3 氕、氘、氚原子示意圖

在氫元素中，原子核里只有一個質子的叫氕（pie）原子；由一個質子和一個中子組成的叫做氘（dao）原子，由一個質子和兩個中子組成的叫做氚（chuan）。氕、氘、氚都是氫元素，它們互為同位素。

氕原子核裡面只有一個質子，它除了跟電子結合外，再沒有別的了，但是氘和氚不同，它們都是由2到3個核子組成。我們知道，多個核子結合成某原子核時會釋放核結合能，如果咱們把這個結合能除以原子核中核子的數量，就得到了平均每一個核子的結合能。問題來了，同樣一個核子，它在組成氘核時結合能大一些呢，還是組成氚核時結合能更大一些？答案是後者。

圖4 平均結合能示意圖

如上圖，橫坐標是核子的數量，從1到270；縱坐標是各種元素下的平均結合能，能量單位是兆電子伏。

可以看見，氚（ H3）的平均結合能在2.8兆電子伏左右，而氘（H2）只有1.1兆電子伏多一點。氫的下一位元素氦，從圖上可知，He4的平均結合能很高，He4（讀作氦4，其原子核也就是我們經常聽說的α粒子。）是太陽或者比太陽質量小的恆星中的主要聚變產物，在太陽的核心裏面，4個自由的質子（也就是氕原子核）經過幾個步驟，最終融合成氦原子核（α粒子），平均每秒鐘大約要有3.7×1038個質子結合成為α粒子，並釋放出極其巨大的能量。太陽產生的能量只有22億分之一傳到了地球，雖然分得很少很少，但就算這樣，太陽每秒鐘輻射到地球上的能量就相當於500萬噸煤。

鐵峰頂

圖5元素平均結合能峰頂為鐵元素

鐵元素處於最高位置附近，也就是說，56個核子共同組成鐵原子時，平均每個核子釋放的結合能最大，比鐵還重得多的那些元素，其平均結合能是逐漸降低的。只有那些大質量恆星，它們核心才可能產生鐵元素，而大質量恆星的內部如果開始生成鐵、鎳等元素時，那麼就可以宣告恆星的末日到來了。

為什麼這麼說呢？

聚變時，能量的獲得是由質量虧損得到的，虧損的質量越多獲得的能量越大，所以我們能肯定，別看同樣都是核子，它們可偏心得很呢，當它是在氘核裡面時，因為平均結合能小，所以每個核子質量虧損的也就少，換句話說就是比較重一些，而在氦核中時，因為平均結合能要大得多，虧損的的質量也就大得多，所以核子要輕一些。

因此我們能得出這樣一個結論，某元素的平均結合能越大，那麼這個元素中的每個核子就越輕。

前一代恆星送給地球的寶貴禮物

表面上，核電站利用的是鈾核的裂變，而太陽上的產能方式是核與核的聚變，給人的感覺，這似乎是兩種不同類型的能源。然而，當我們深入核子，以及核子在不同原子核裡面的質量變化，就會發現，無論是太陽的核心還是在核電站的堆芯，它們獲取能源的方式無非是利用了核子的「偏心眼兒」——1個核子從鈾核家搬到鋇核家時，質量變輕，這跟1個核子從氘核家搬到氦原子核家時質量變輕是一樣一樣的。

大質量恆星內部聚變生成鐵、鎳等元素時，不能再通過更進一步的核融合產生能量，也正因為此，恆星內部再也沒有足夠能量抵抗恆星自身的引力從而向內坍縮，於是便有了超新星大爆發，並再次產生巨大的能量，這些能量給那些中等元素融合成重元素助了一臂之力，鈾得以生成，那麼反過來，當鈾核再次分裂成中等質量的兩個原子核時肯定要放出能量，這就是核電站裡面每天都在發生的反應。

顯而易見，地球上的鈾元素是那些大質量恆星犧牲時的最後產物，換句話說，我們現在所用的核能全都是來自前一代恆星送給地球的寶貴禮物。

原子很小，一根頭髮的寬度大約是100萬個碳原子連起來的長度。而一個小小的鈾原子裂變後產生的能量甚至可以移動一粒小沙子。如此誘人的能源，怎能不讓人神往。2009年，美國人均耗電量1460度，而我國在2010時，人均耗電量只有364度。美國正在運行的核電站有100多座，超過世界上任何國家。因此，關於核電站，我國的數量其實並沒有大家想的那麼多。

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