第十五章質 量 與 能 量【１2１】

直到19世紀結束時，人類對粒子能量的使用還僅僅停留在最多能利用原子與原子之間的結合能量。譬如在燃燒之類的化學反應中獲得幾個電子伏特的低能量。當時也確實一直以為1803年道爾頓發現的原子就是物質最小的單位了。1919年盧瑟福利用α粒子去轟擊氮原子核，發現了質子是原子核的組成部分。α粒子是具有幾百萬電子伏特能量的粒子。

1932年法國物理學家居里夫人及其女兒、女婿約里奧·居里夫婦用來自鈹的α粒子轟擊石臘，打出質子，但很可惜的是他們與該微粒見了面又不相識；明明已經獲得這種大能量的粒子，又白白放過了這次發現中子的大好機會。後來中子也就是在當年被英國物理學家查德威克認定的。在中子的發現過程，運用了能量守恆定律和動量守恆定律，也就是說在微粒子世界中再次證明了這兩個定律的普遍適用性。

根據質能方程的結論，鈾原子核裂變成兩個小原子核時，由於極小的一點質量損失，釋放出了巨大的能量。依據這個道理，1939年哈恩發現了鈾核裂變，接著終於研製出了原子彈。

在所有原子核反應過程中，都嚴格遵守著電荷守恆定律、能量守恆定律、動量守恆定律及質量守恆定律。反過來說，這一系列來自於經典力學理論的定律，在微觀世界的研究中，具體來說在核反應中，仍然是主要的理論依據。

人類進入原子核內部，是從1899年湯姆遜發現電子開始的，1913年玻爾提出了原子理論，對盧瑟福的原子行星模型進行了原子模型的改進。

在對原子核內部力的研究中發現核力是一種極強大的短程力，在原子核內質子之間的正電荷間具有很大的斥力，而這時核力必須是比電磁力大得多的吸引力，它不僅要抵消掉質子之間的斥力，還需要將核裡面的質子、中子全都吸引在一起。但是又發現一旦質子和中子的距離達到10－15米數量級時，核力已變得非常小了，所以它又是一種短程力。

根據質能關係式：E=MC2我們可以看出來物體的總能量和它的質量成正比，但是兩者之間有著一個很大的比例常數——C2，即光速的平方。質能方程式將一定的質量與一定的能量之間很嚴格的用數量關係維繫在了一起，說明了它們之間相互對應的數量關係。但是在現代物理的觀點中，認為質能方程所揭示的僅僅是它們之間相關聯的數量關係，而並不是指它們之間可以相互轉化，也就是說該方程並不意味著質量與能量具有一樣的物理意義！

在核能的具體研究過程中，發現了這麼一個普遍的規律，那就是原子核的質量虧損問題——原子核的質量總是比組成它的所有核子的質量總和要略小一些。而正是根據這微弱的一點質量差△M，人們算出來該原子核的結合能△E=△MC2。我們對原子核能的利用，就是設法利用這部分△E——結合能之間的差異。例如我們可以從一克鈾的裂變中得到相當於約2.5噸煤燃燒時的能量。

根據計算，質量數為50~60的原子核的平均結合能最大，約為8.6mev。而質量數較小的輕核。及質量數較大的重核平均結合能都相對較小。例如鈾約為7.6mev。這樣人們就可以採用將重核鈾分裂的方法，也就是用核裂變反應來獲取原子能。具體來舉例有：原子反應堆或原子彈。另外也可以採取將輕核聚變的方法來獲取原子能，具體的例子是氫彈；極為遺憾的是目前人類還沒有能力掌握受控核聚變。而這也是20世紀物理學所遺留下來的重大課題之一。

雖然人們已經計算出用7克氫核燃料核聚變時就能產生相當於6噸煤的能量，更尤其是氫核燃料是可以從海水中提取到的用之不盡的燃料，這對面臨能源危機的人類來說有著多大的誘惑力；並且它對人類和環境的危害也只是現在所用的能源所造成危害的1%。但是受控核聚變要從理論上的成功，轉化為進入實際應用階段卻並非易事。首先需要建造起能承受得起1億度高溫的熔爐；如今這麼高的溫度還僅僅在恆星中能找到，也就是說僅是天上有、人間還沒有。

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