有一个核子他叫小明

　　在前面《核电站与烧火做饭有什么不同》这篇文章里，咱们说到了聚变的原理，即原子核之间的结合导致质量亏损，从而产生巨大能量。那么核电站里面的裂变反应，也是因为释放结合能的缘故吗？答案是肯定的！但那分明是铀原子的分裂呀，别急，咱们这就详细说来。

　　有一个核子他叫小明

　　有这么一个核子，他叫小明。虽然质子和中子统称为核子，但是呢，小明一开始绝对是个质子，很简单，中子这家伙最怕孤独了，当他单身时，整个人就衰得不行，平均寿命也就15分钟左右，确切地说大约14分42秒后，这个单身汉就会衰变成一个质子和一个电子，还有一个反中微子。而质子则不同，用长寿来形容他都显得不恰当，因为他的寿命大于2.1×1029年，宇宙的年龄也才138亿年左右呢。

　　不扯这些了，反正小明一开始是一个质子就是啦！

　　话说，有一天，小明到处瞎逛，结果他遇到了另外一个小明，显然，他也是独自闯荡宇宙的质子，为做区分，暂时叫他小华。同性相斥，这在哪儿都是成立的，本来，他们两个是不可能走在一起的，因为他们之间的排斥力太大（都带正电），但是很不幸，他俩在一颗恒星的内部，也许是一颗中等质量的恒星内部，那里温度高极了，所以小明和小华的速度极快，两人迎头高速相撞，结果就粘在一起啦，而胶水是一种叫做核力的厉害家伙。

　　图1 粒子热运动剧烈程度随温度升高而增强

　　小明和小华粘在一起后，如小明所愿，小华不再是一个质子，他变成一个中子了。这把小明高兴得，他把小花抱得紧紧的，小花是小明给她重新取的名字。

　　此刻，小明和小花组成了一个新家——氘（dāo）核。

　　小明说：花花，我发现，自从跟了你后，我的体重减轻了一点儿。

　　小花说：我也是的我也是的！可能是……咱们结合时产生了爱的火花，火花带走了你我的一点儿体重吧。

　　小明说：嗯嗯，铁定就是这个原因啦。

　　小明小花的小日子过得很幸福，他们的愿望是就这么幸幸福福地过一辈子，直到沧海桑田，宇宙毁灭。然而，他们这个愿望只维持了1万年。

　　有一天，一个不长眼的质子，他硬生生插了进来。

　　“真好！”那个撞进来的质子说，“现在我们组成了新的家庭，氦3！哦也！”

　　小明和小花对看了一眼，没有说话，只是叹了一口气。

　　良久，小明说了一句：奇怪，我的体重又变轻一点儿了。

　　小花说：我也是。

　　那个质子也急忙说：我也是，我也是！

　　但是小明和小花还是没有搭理他。

　　好几万年又过去了。

　　有一天，他们这个叫做氦3的家庭，又在高速中撞到了另外一个氦3，咔嚓一声，如电闪雷鸣，之前的那个质子被撞飞了，还有另外一个质子也被撞飞了。现在这个新家里面有4个核子，分别是小明和小花，还有另外的一个质子和中子。这个新家叫做氦4。

　　小花：明明哥，咱俩现在是阿尔法粒子家的一部分了。唉，我的身体变得更轻了。

　　小明：别伤心，我听说，中等质量的恒星，聚变产物主要是氦4，所以咱俩应该不会再换新家了。

　　然而，小明错了，很多万年后，他们又成了碳原子核家的一部分，后来又成为氧原子核家的一部分。最后，他们又成了铁原子核家的一部分。

　　小明：哎呀呀，搞半天，咱俩不是呆在一个中等质量的恒星里呀！

　　小花：是大质量恒星！自从成为铁核家的一份子后，我又变轻了好多好多！

　　小明：花花，你别难过。我听说，在大质量的恒星里面，只要产生了像铁原子核、镍原子核的时候，我们基本上就不会再变换新家了。

　　小花：为什么呀？

　　小明：因为，假如我俩从铁原子核家搬到铀核家，我们的体重就会变重一点儿，而我们身体质量变大的话，需要能量的注入才能完成。否则，咱们怎么变重呢？

　　小花：对对对，我也想起来了。

　　小明（拍了一下脑袋）：不好！我忽然想起一事，如果两个铁核不能再通过聚变产生能量的话，那那那……谁来顶住这颗大质量恒星自身的引力坍缩？

　　小花：啊？！

　　…………

　　就在小花的惊叫声中，一个更大的声响出现了，这也许是宇宙大爆炸以来，小明和小花听得最大的一个声响了。

　　…………

　　朦朦胧胧中，小花醒了过来，一看小明还在身边，心里那个踏实感，真是难以言表。

　　小花：刚才怎么回事？

　　小明：超新星大爆发！

　　小花：我们在哪里？

　　小明：一个更大的家，铀核里！

　　小花：难怪，好多好多家庭成员，真挤呀。不过还好，我的体重增加了一些呢。明哥哥，你说咱俩总是在换新家，这什么时候是个头呀！

　　小明：我们这个家叫做铀235，他的半衰期是7亿多年。假如有一堆铀235，那么经过7亿年后，会有一半发生衰变。

　　小花：7亿年！太好了，咱俩终于可以稳定一段时间了。

　　…………

　　…………

　　好多亿年又过去了，小明和小花亲眼看见无数的铀235发生了衰变，但他们所在的这个家还没有，小明和小花感到很幸运，他们害怕再换新家，因为那样的话，他们就有可能要分开了，这是一件多么让人伤心的事，在这浩渺的宇宙，分开即永别。

　　小明和小花身在超新星大爆发后产生的一片广袤无边的分子云里，也就是星云。后来，附近又发生了好几次超新星大爆发，结果，在某个地方，星云开始收缩，密度开始升高，在那核心的地方，一个新的恒星正在诞生，它就是后来人类叫做太阳的恒星。

　　小明和小花没有成为太阳的一部分，因为他们的家，铀235质量比较大，不像那些氢分子云，引力一吸就屁颠屁颠地跑过去了。他们围绕那个后来叫做太阳的恒星盘旋，在盘旋中，他们跟随好多亿万吨的铀、铁、硅等共同组成了一个后来叫做地球的行星。

　　有一天，小明推醒了熟睡中的小花。

　　小明：小花小花，地球行星诞生了一种叫做人类的生物，他们智慧非凡。

　　小花：有多非凡？

　　小明：你知道吗，他们找到了我们的邻居家，也就是铀238，它的半衰期是44.68亿年。

　　小花：这个我也知道呀，没啥了不起的。

　　小明：但你知道吗，他们利用铀238的半衰期测出了地球的年龄啦！

　　小花：啊，怎么测的？

　　小明：很简单呀，就像一大串葡萄，假如每隔10天就会有一半的葡萄烂掉，只剩下葡萄核的话。那么数一数剩下的葡萄核就知道这一大串葡萄到底存在多少时间了。假设一串大葡萄原来有100粒，过10天后只剩下50粒，再过10天剩下25粒，人类数一数那一地的葡萄核，就知道这串大葡萄大约存在20天时间了。

　　小花：人类真聪明！我忽然爱上他们了，真的。

　　小明：还有还有哦，人类也喜欢上我们了，他们在一个叫做核电站的装置里利用我们，为他们获得源源不断的能源。

　　小花：什么！怎么利用的？

　　小明：你知道的，100亿吨铀235，要经过7亿多年才会有50亿吨发生衰变，只剩下50亿吨。而现在，人类找到另一个加速铀235裂变的方法了，只要用一颗像你一样的中子轰击咱们这个家，铀235就会分裂成大小差不多的两个中等质量的新核，并产生巨大的能量。

　　图2 通过中子轰击铀235产生裂变，释放出能量和更多中子

　　小花：这真是一个奇迹，难道人类也通晓，我们核子在不同原子核里时的质量变化？真有这般聪明？

　　小明：真的，他们全知道啦！每个核子组成像铀这样的新家时，核子损失的质量并没有在那些中等质量的新家多。

　　小花：等等，就是我们从铀核家搬到钡原子核家的时候会变轻，他们连这也知道啦？

　　小明：是的。

　　小花：聪明的人类，你们居然如此性感！

　　…………

　　平均结合能

　　小明和小花的故事讲完了。咱们再来看看里面的涉及的原理。

　　一个原子属于什么元素，中子说话不管用，只有质子说了算。

　　图3 氕、氘、氚原子示意图

　　在氢元素中，原子核里只有一个质子的叫氕（pie）原子；由一个质子和一个中子组成的叫做氘（dao）原子，由一个质子和两个中子组成的叫做氚（chuan）。氕、氘、氚都是氢元素，它们互为同位素。

　　氕原子核里面只有一个质子，它除了跟电子结合外，再没有别的了，但是氘和氚不同，它们都是由2到3个核子组成。我们知道，多个核子结合成某原子核时会释放核结合能，如果咱们把这个结合能除以原子核中核子的数量，就得到了平均每一个核子的结合能。问题来了，同样一个核子，它在组成氘核时结合能大一些呢，还是组成氚核时结合能更大一些？答案是后者。

　　图4 平均结合能示意图

　　如上图，横坐标是核子的数量，从1到270；纵坐标是各种元素下的平均结合能，能量单位是兆电子伏。

　　可以看见，氚（ H3）的平均结合能在2.8兆电子伏左右，而氘（H2）只有1.1兆电子伏多一点。氢的下一位元素氦，从图上可知，He4的平均结合能很高，He4（读作氦4，其原子核也就是我们经常听说的α粒子。）是太阳或者比太阳质量小的恒星中的主要聚变产物，在太阳的核心里面，4个自由的质子（也就是氕原子核）经过几个步骤，最终融合成氦原子核（α粒子），平均每秒钟大约要有3.7×1038个质子结合成为α粒子，并释放出极其巨大的能量。太阳产生的能量只有22亿分之一传到了地球，虽然分得很少很少，但就算这样，太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤。

　　铁峰顶

　　图5元素平均结合能峰顶为铁元素

　　铁元素处于最高位置附近，也就是说，56个核子共同组成铁原子时，平均每个核子释放的结合能最大，比铁还重得多的那些元素，其平均结合能是逐渐降低的。只有那些大质量恒星，它们核心才可能产生铁元素，而大质量恒星的内部如果开始生成铁、镍等元素时，那么就可以宣告恒星的末日到来了。

　　为什么这么说呢？

　　聚变时，能量的获得是由质量亏损得到的，亏损的质量越多获得的能量越大，所以我们能肯定，别看同样都是核子，它们可偏心得很呢，当它是在氘核里面时，因为平均结合能小，所以每个核子质量亏损的也就少，换句话说就是比较重一些，而在氦核中时，因为平均结合能要大得多，亏损的的质量也就大得多，所以核子要轻一些。

　　因此我们能得出这样一个结论，某元素的平均结合能越大，那么这个元素中的每个核子就越轻。

　　前一代恒星送给地球的宝贵礼物

　　表面上，核电站利用的是铀核的裂变，而太阳上的产能方式是核与核的聚变，给人的感觉，这似乎是两种不同类型的能源。然而，当我们深入核子，以及核子在不同原子核里面的质量变化，就会发现，无论是太阳的核心还是在核电站的堆芯，它们获取能源的方式无非是利用了核子的“偏心眼儿”——1个核子从铀核家搬到钡核家时，质量变轻，这跟1个核子从氘核家搬到氦原子核家时质量变轻是一样一样的。

　　大质量恒星内部聚变生成铁、镍等元素时，不能再通过更进一步的核融合产生能量，也正因为此，恒星内部再也没有足够能量抵抗恒星自身的引力从而向内坍缩，于是便有了超新星大爆发，并再次产生巨大的能量，这些能量给那些中等元素融合成重元素助了一臂之力，铀得以生成，那么反过来，当铀核再次分裂成中等质量的两个原子核时肯定要放出能量，这就是核电站里面每天都在发生的反应。

　　显而易见，地球上的铀元素是那些大质量恒星牺牲时的最后产物，换句话说，我们现在所用的核能全都是来自前一代恒星送给地球的宝贵礼物。

　　原子很小，一根头发的宽度大约是100万个碳原子连起来的长度。而一个小小的铀原子裂变后产生的能量甚至可以移动一粒小沙子。如此诱人的能源，怎能不让人神往。2009年，美国人均耗电量1460度，而我国在2010时，人均耗电量只有364度。美国正在运行的核电站有100多座，超过世界上任何国家。因此，关于核电站，我国的数量其实并没有大家想的那么多。