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核结合能

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核裂變發電機組

核结合能(英語:Nuclear binding energy),又稱為原子能核能,是由组成原子核核子之间发生的反应释放出的能量。同等质量下,原子能比化学反应中释放的热能要大数百万倍,例如原子量为235的元素,通过核裂变释放的能量约为200,000,000电子伏特,而原子量为12的元素,通过燃烧这种化学反应释放的能量仅为4.1电子伏特[1]

1905年,物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出狭义相对论,之后作为推论,又提出质能方程E=mc²,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。自此核能得到科学的解释和开发利用。

实验测量

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原子核由中子和质子构成。每个中子和质子都有自己的质量。但由于强相互作用与库伦相互作用的存在,一个原子核的质量不完全等于每个中子和质子的质量和。

比如氦原子核的质量M() = 4.002603原子质量单位(u),质子(即氢原子核)的质量M() = 1.007825 u,中子的质量M(n) = 1.008665 u。氦核()的质量与组成它的两个质子与两个中子的质量和不同:

2×M() + 2×M(n) = 2×1.007825 u + 2×1.008665 u = 4.032980 u;

M() = 4.002603u.

其差值为:

△M = 4.032980 u - 4.002603 u = 0.030377 u.

当两个质子和两个中子组成一个氦核时,要损失△M = 0.030377 u的质量。通过爱因斯坦的质能方程,可以算出由两个质子和两个中子形成一个氦核所释放的能量:ΔE=ΔM × = 28.30兆电子伏特(MeV)。

原理

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核结合能主要由强相互作用引起。其中包括体积能、表面能、库伦排斥能、对称能和对能等组成。[2]

液滴模型

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由于原子核的结构与水滴的结构十分相近,可将原子核近似看做密度十分巨大的液滴来处理,这就是原子核的液滴模型[2]

结合能与比结合能

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很显然,组成原子的核子越多,它的结合能就越高。因此,我们不妨将原子核的结合能与核子数之比定义为一个新的物理量——比结合能(又称平均结合能)。比结合能越大,原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定。精密的物理检测表明对于质量数偏低的原子,核子比结合能随着质量数的增大而增大,而在镁和之间达到最大,之后便随着质量数的增大而减小。因此可以得出,当重原子裂变成两个或多个原子时,生成原子的结合能总和会大于原来重原子所具有的结合能,此间的差值便会以热能的形式释放出来,这便是核裂变反应。反之,当几个轻原子结合,合成原子的结合能大于原本所有原子结合能之和,这便是核聚变反应放出能量的来源。

应用

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核能因为其巨大的能量具有强大的应用潜力但同时如果应用不当,落入反和平人士手中,其高强度能量却有可能变成全人类的灾难。核能一直备受抵制却不可替代。 核能的应用主要集中在以下幾種形式:

参见

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文献

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  1. ^ [1][永久失效連結]
  2. ^ 2.0 2.1 《粒子物理与核物理讲座》 曾谨言

外部連結

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