核裂变与核聚变释放能量,是以铁-56为分界线的,铁-56的比平均结合能最低,是所有原子核中最稳定的。
我们知道,氢弹的爆炸原理是核聚变,原子弹的爆炸原理是核裂变,核裂变与核聚变似乎是两个相反的过程,为何都能释放大量能量呢?
其中的原理与原子核的构成有关,原子由原子核与核外电子组成,原子核又由质子和中子构成,把质子和中子束缚在一起的力叫做强相互作用,强相互作用是四种基本力中最强的,强度是电磁相互作用的137倍,是万有引力相互作用的10^39倍。
我们来想象这么一个过程,两个天体因为万有引力相互吸引而绕行,如果我们要把两个天体分开,就需要借助外力的作用使其相互远离,这个过程需要输入能量来克服引力势能,所以两个天体靠得越远引力势能越大。
我们可以类比原子核内的情况,以氦-4为例,质子和中子通过强力结合在一起,如果我们要把原子核中的质子和中子完全分开,就需要输入能量,说明质子和中子在完全分开的情况下,整体具有的能量更高。
反过来说,质子和中子相互结合时就会释放能量,氢元素聚变为氦元素就属于这种情况,由于强相互作用很强,所以强力变化导致的能量释放也高,强力比电磁力强137倍,自然化学反应中的能量变化无法与核反应相比较。
于是核聚变就能释放巨大的能量,但是要引发核聚变并不容易,因为强力的作用范围非常小,原子核间必须克服质子的排斥力(电磁力),使质子间的距离达到强力作用范围后才能结合,比较直观的办法就是增加原子核的撞击速度和撞击频率,宏观条件就是增加温度和压力。
但是随着质子数的增加,会遇到一个大问题,就是强力的作用范围很有限,而质子间的的电磁力还在叠加,于是随着核子(质子和中子)数的增加,强力的作用在减弱,原子核反而变得不稳定,最后甚至无法形成稳定的原子核,其中的临界线就是铁-56。
于是小于铁的原子,聚变会释放能量,而高于铁的原子,裂变也会释放能量,但是重原子核内的强相互作用没有轻原子核内的强,所以裂变释放的能量没有聚变高。
在物理学中,我们用结合能来表示把不同原子核分解为质子和中子时,需要输入能量的大小,显然核子数越多结合能也越高。
真正反应原子核稳定性的是平均结合能,也就是结合能与核子数的比值,原子核的平均结合能越高,原子核就越稳定,平均结合能越低,原子核就更容易发生聚变或者裂变,由于质量和能量是等效的,所以我们也可以用核子平均质量来描述。
平均结合能就如一个在重力作用下的小球,小球越在靠近谷底的地方越稳定,越靠近山顶越不稳定,当小球从山顶滑落到谷底时,在重力作用下势能就会做功,在原子核中也是类似的,原子核平均核子质量降低,就会释放能量,所以核聚变与核裂变都会释放能量。
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