【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第十章原子核能

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的?！?

§10-4聚變，熱核反應(yīng)

【01】從原子核的結(jié)合能曲線中可以看出，除了重核分裂時放出大量的原子能以外，輕的核締合成為原子量較大的原子核時（我們把這種核反應(yīng)叫做聚變）也會釋放出大量的原子能。圖10·1所示曲線的左端表明在最輕的一些原子核中，結(jié)合能的變化都比較大，其中，氦4 的結(jié)合能比鄰近的原子核大得更多，具體的數(shù)值可以從下表中看出來。

【02】由于氦4 的平均結(jié)合能特別大，所以當(dāng)輕的原子核發(fā)生聚變反應(yīng)時，如果生成物中有氦4，這時放出的結(jié)合能也就更多，例如：

【03】又由于輕的原子核所帶的正電荷比重的原子核少得多，所以輕的原子核發(fā)生反應(yīng)時所要克服的庫侖斥力就要比重核小得多，因而要使它們進行核反應(yīng)就不需要給核太大的能量。例如：用氘(?H2)去轟擊氚(?H3)，氘核的能量只要到達幾萬電子伏特就有相當(dāng)大的可能引起核反應(yīng)（?H2＋?H3→?He?＋?n1＋17.6百萬電子伏特）；而如果用氘(?H2)去轟擊較重的鎂(??Mg2?)（它所帶的正電荷數(shù)只比氚核大 12 倍），這時氘核的能量就至少要有 1 百萬電子伏特才有可能引起核反應(yīng)。

【04】如果以一次聚變和一次裂變來比較，我們還看不出聚變反應(yīng)中釋放出來的原子能的巨大，例如：??U23?＋?n1→??Xe1?o＋??Sr??＋2 ?n1＋200百萬電子伏特，?H2＋?H3→?He?＋?n1＋17.6百萬電子伏特。從反應(yīng)式看，似乎是聚變時釋放出的原子能比裂變時的小，但是，如果從核子的平均結(jié)合能來比較，就可以明白：一個鈾235原子核發(fā)生裂變釋放出的結(jié)合能是200百萬電子伏特，即平均每一個核子釋放? 百萬電子伏特的能量；而一個氫2 (?H2) 和一個氫3 (?H3) 聚變成一個氫4時，釋放出來的結(jié)合能是17.6百萬電子伏特，參加反應(yīng)的核子數(shù)是2＋3＝5個，平均每一個校子釋放??百萬電子伏特的能量，這要比鈾核裂變時，平均每一個核子釋放出來的能量大 4 倍左右。無論是裂變反應(yīng)或者是聚變反應(yīng)，從一個核發(fā)生反應(yīng)來看，釋放出來的能量總是微不足道的，例如在鈾核裂變的情況中，只是當(dāng)大量鈾核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)時才釋放出巨大的原子能，所以要通過聚變獲得原子能，也必須要有大量的輕原子核同時發(fā)生核反應(yīng)才能獲得比鏈?zhǔn)椒磻?yīng)時更多的能量。1 克鈾完全裂變所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于 2 噸煤完全燃燒時所釋放出的能量，而氘和氚通過聚變生成 1 克氦時，釋放出來的能量卻相當(dāng)于 12 噸煤完全燃燒時所釋放出來的化學(xué)能！

【05】使大量輕原子核發(fā)生聚變的方法是把反應(yīng)物質(zhì)加熱到極高的溫度，使這些原子核在獲得很大動能的情況下，發(fā)生劇烈的碰撞，這時就會發(fā)生聚變反應(yīng)，因為這種核反應(yīng)是在極高的溫度下進行的，所以叫做熱核反應(yīng)。

【06】產(chǎn)生熱核反應(yīng)所需要的溫度是很高的，一般要在一百萬度以上，甚至達到幾千萬度！溫度越高，熱核反應(yīng)進行得也越快。以氫2和氫3聚合成氦4的聚變?yōu)槔涸?00萬度高溫下，每秒鐘、每克反應(yīng)物質(zhì)可以放出 10? 卡的熱量；在150萬度時，可以放出 10? 卡的熱量；當(dāng)溫度上升到 200 萬度時，放出的熱量則達到 101o 卡。這表明，反應(yīng)的充分程度和速度，大致是跟溫度成正比的。太陽在幾十萬萬年間，能夠不斷地發(fā)出巨大的能量（平均每秒鐘大約放出 4×102? 焦耳的能量），就是因為在太陽上不斷地進行著熱核反應(yīng)的緣故。太陽表面溫度雖然只有 6000 度左右，但太陽中心的溫度則高達 1400 萬度，輕元素的原子核就在這樣高的溫度下，充分地進行著熱核反應(yīng)，把反應(yīng)中釋放的大量原子能不斷地向周圍空間輻射出去。這個巨大而熾熱的天體，每一秒鐘向外輻射出去的能量，大約相當(dāng)于完全燃燒 1 億億噸煤所發(fā)出的能量，而輻射到地球表面上來的卻只有它的 20 億分之一。

【07】要人為地獲得這樣高的反應(yīng)溫度是相當(dāng)困難的，只有原子爆炸時，才可以獲得幾百萬度以上的高溫，這時讓氘和氚發(fā)生反應(yīng)，就會產(chǎn)生不可控制的熱核反應(yīng)，大量的能量也就以爆發(fā)的形式釋放出來，這就是氫彈的作用原理。另外，用實驗的方法讓很強的電流（幾十萬安培）導(dǎo)入稀薄的氣體中，也會產(chǎn)生幾百萬度的高溫，但問題是要使熱核反應(yīng)充分地和有控制地進行（叫做受控?zé)岷朔磻?yīng)），就需要進一步把溫度升高。用什么方法對這種稀薄氣體進一步加熱？用什么方法使熱核反應(yīng)中的高溫不致于損壞它的“容器”？應(yīng)當(dāng)用什么方法來控制熱核反應(yīng)進行的速度，并把熱量取出來加以利用？這些問題都是目前和平利用原子能研究中的重要課題，近年來，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在低溫下使輕的原子核發(fā)生聚變的方法，這種方法雖然還在繼續(xù)研究中，并且也還有許多需要解決的問題，但是它卻開辟了一個獲得巨大原子能源的新途徑。

【08】如圖10·8所示，氫彈的殼內(nèi)充滿著氘和氚，并且有一個普通的原子彈，呈兩個半球狀，每一個半球體積小于臨界體積，半球處有引爆炸藥，當(dāng)引爆炸藥燃燒時，就使原子彈的兩個半球合在一起，這時由于超過了臨界體積便發(fā)生了原子爆炸，產(chǎn)生超高的溫度，氘和氘又在這樣高的溫度下發(fā)生熱核反應(yīng)，引起新的爆炸。

例2.氘和氚在發(fā)生聚變后變成氦的原子核，同時釋放出一個中子和 17.6 百萬電子伏特的結(jié)合能，試計算 2 克氘和 3 克氚在完成這個反應(yīng)后所釋放出的能量。

【解】

????????根據(jù)題意這個聚變的核反應(yīng)式是：?H2＋?H3→?He?＋?n1＋17.6百萬電子伏特，即一個氘核和一個氚核經(jīng)過核反應(yīng)后釋放出 17.6 百萬電子伏特的結(jié)合能。

????????氘的克原子量是 2 克，氚的克原子量是 3 克，所以 2 克氘和 3 克氚含有的原子個數(shù)都是 6.02×1023 個，它們完全發(fā)生聚變反應(yīng)后所放出的能量為 6.02×1023×17.6 百萬電子伏特＝6.02×1023×17.6×10?×1.6×10?12爾格＝6.02×1023×17.6×10?×1.6×10?12×10??焦耳＝1.7×1012焦耳。

習(xí)題10-1~10-4

1、235克 U23? 的原子核，都發(fā)生裂變能放出多少原子能？【1.9×1013焦耳】

2、1 公斤軸235 裂變以后釋放出來的能量，相當(dāng)于 1 公斤汽油燃燒時，所釋放出來的能量的多少倍？（汽油的燃燒值是 11,000 千卡/公斤）【1.8×10?倍】

3、??U23??裂變時釋放出的結(jié)合能是 200 百萬電子伏特，兩個氘核聚變時釋放出的結(jié)合能是 23.76 百萬電子伏特。試計算一公斤鈾235 完全發(fā)生裂變和一公斤氘完全發(fā)生聚變各放出多少結(jié)合能？哪個放出的能量大？為什么？【8.2×101?焦耳，5.7×101?焦耳】

4、在下列核反應(yīng)中：?H2＋?Li?→?He?＋?He?＋17.3百萬電子伏特。設(shè)有一克質(zhì)子完全擊中了鋰的原子核，問將放出多少原子能？【1.7×1012焦耳】