【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第十章原子核能

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§10-4聚变，热核反应

【01】从原子核的结合能曲线中可以看出，除了重核分裂时放出大量的原子能以外，轻的核缔合成为原子量较大的原子核时（我们把这种核反应叫做聚变）也会释放出大量的原子能。图10·1所示曲线的左端表明在最轻的一些原子核中，结合能的变化都比较大，其中，氦4 的结合能比邻近的原子核大得更多，具体的数值可以从下表中看出来。

【02】由于氦4 的平均结合能特别大，所以当轻的原子核发生聚变反应时，如果生成物中有氦4，这时放出的结合能也就更多，例如：

【03】又由于轻的原子核所带的正电荷比重的原子核少得多，所以轻的原子核发生反应时所要克服的库仑斥力就要比重核小得多，因而要使它们进行核反应就不需要给核太大的能量。例如：用氘(₁H²)去轰击氚(₁H³)，氘核的能量只要到达几万电子伏特就有相当大的可能引起核反应（₁H²＋₁H³→₂He⁴＋₀n¹＋17.6百万电子伏特）；而如果用氘(₁H²)去轰击较重的镁(₁₂Mg²⁶)（它所带的正电荷数只比氚核大 12 倍），这时氘核的能量就至少要有 1 百万电子伏特才有可能引起核反应。

【04】如果以一次聚变和一次裂变来比较，我们还看不出聚变反应中释放出来的原子能的巨大，例如：₉₂U²³⁵＋₀n¹→₅₄Xe¹⁴º＋₃₈Sr⁹⁴＋2 ₀n¹＋200百万电子伏特，₁H²＋₁H³→₂He⁴＋₀n¹＋17.6百万电子伏特。从反应式看，似乎是聚变时释放出的原子能比裂变时的小，但是，如果从核子的平均结合能来比较，就可以明白：一个铀235原子核发生裂变释放出的结合能是200百万电子伏特，即平均每一个核子释放  百万电子伏特的能量；而一个氢2 (₁H²) 和一个氢3 (₁H³) 聚变成一个氢4时，释放出来的结合能是17.6百万电子伏特，参加反应的核子数是2＋3＝5个，平均每一个校子释放  百万电子伏特的能量，这要比铀核裂变时，平均每一个核子释放出来的能量大 4 倍左右。无论是裂变反应或者是聚变反应，从一个核发生反应来看，释放出来的能量总是微不足道的，例如在铀核裂变的情况中，只是当大量铀核发生链式反应时才释放出巨大的原子能，所以要通过聚变获得原子能，也必须要有大量的轻原子核同时发生核反应才能获得比链式反应时更多的能量。1 克铀完全裂变所产生的能量相当于 2 吨煤完全燃烧时所释放出的能量，而氘和氚通过聚变生成 1 克氦时，释放出来的能量却相当于 12 吨煤完全燃烧时所释放出来的化学能！

【05】使大量轻原子核发生聚变的方法是把反应物质加热到极高的温度，使这些原子核在获得很大动能的情况下，发生剧烈的碰撞，这时就会发生聚变反应，因为这种核反应是在极高的温度下进行的，所以叫做热核反应。

【06】产生热核反应所需要的温度是很高的，一般要在一百万度以上，甚至达到几千万度！温度越高，热核反应进行得也越快。以氢2和氢3聚合成氦4的聚变为例：在100万度高温下，每秒钟、每克反应物质可以放出 10⁴ 卡的热量；在150万度时，可以放出 10⁷ 卡的热量；当温度上升到 200 万度时，放出的热量则达到 10¹º 卡。这表明，反应的充分程度和速度，大致是跟温度成正比的。太阳在几十万万年间，能够不断地发出巨大的能量（平均每秒钟大约放出 4×10²⁶ 焦耳的能量），就是因为在太阳上不断地进行着热核反应的缘故。太阳表面温度虽然只有 6000 度左右，但太阳中心的温度则高达 1400 万度，轻元素的原子核就在这样高的温度下，充分地进行着热核反应，把反应中释放的大量原子能不断地向周围空间辐射出去。这个巨大而炽热的天体，每一秒钟向外辐射出去的能量，大约相当于完全燃烧 1 亿亿吨煤所发出的能量，而辐射到地球表面上来的却只有它的 20 亿分之一。

【07】要人为地获得这样高的反应温度是相当困难的，只有原子爆炸时，才可以获得几百万度以上的高温，这时让氘和氚发生反应，就会产生不可控制的热核反应，大量的能量也就以爆发的形式释放出来，这就是氢弹的作用原理。另外，用实验的方法让很强的电流（几十万安培）导入稀薄的气体中，也会产生几百万度的高温，但问题是要使热核反应充分地和有控制地进行（叫做受控热核反应），就需要进一步把温度升高。用什么方法对这种稀薄气体进一步加热？用什么方法使热核反应中的高温不致于损坏它的“容器”？应当用什么方法来控制热核反应进行的速度，并把热量取出来加以利用？这些问题都是目前和平利用原子能研究中的重要课题，近年来，科学家们已经发现了在低温下使轻的原子核发生聚变的方法，这种方法虽然还在继续研究中，并且也还有许多需要解决的问题，但是它却开辟了一个获得巨大原子能源的新途径。

【08】如图10·8所示，氢弹的壳内充满着氘和氚，并且有一个普通的原子弹，呈两个半球状，每一个半球体积小于临界体积，半球处有引爆炸药，当引爆炸药燃烧时，就使原子弹的两个半球合在一起，这时由于超过了临界体积便发生了原子爆炸，产生超高的温度，氘和氘又在这样高的温度下发生热核反应，引起新的爆炸。

例2.氘和氚在发生聚变后变成氦的原子核，同时释放出一个中子和 17.6 百万电子伏特的结合能，试计算 2 克氘和 3 克氚在完成这个反应后所释放出的能量。

【解】

        根据题意这个聚变的核反应式是：₁H²＋₁H³→₂He⁴＋₀n¹＋17.6百万电子伏特，即一个氘核和一个氚核经过核反应后释放出 17.6 百万电子伏特的结合能。

        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 克氚含有的原子个数都是 6.02×10²³ 个，它们完全发生聚变反应后所放出的能量为 6.02×10²³×17.6 百万电子伏特＝6.02×10²³×17.6×10⁶×1.6×10⁻¹²尔格＝6.02×10²³×17.6×10⁶×1.6×10⁻¹²×10⁻⁷焦耳＝1.7×10¹²焦耳。

习题10-1~10-4

1、235克 U²³⁵ 的原子核，都发生裂变能放出多少原子能？【1.9×10¹³焦耳】

2、1 公斤轴235 裂变以后释放出来的能量，相当于 1 公斤汽油燃烧时，所释放出来的能量的多少倍？（汽油的燃烧值是 11,000 千卡/公斤）【1.8×10⁶倍】

3、₉₂U²³⁵ 裂变时释放出的结合能是 200 百万电子伏特，两个氘核聚变时释放出的结合能是 23.76 百万电子伏特。试计算一公斤铀235 完全发生裂变和一公斤氘完全发生聚变各放出多少结合能？哪个放出的能量大？为什么？【8.2×10¹⁸焦耳，5.7×10¹⁴焦耳】

4、在下列核反应中：₁H²＋₂Li⁷→₂He⁴＋₂He⁴＋17.3百万电子伏特。设有一克质子完全击中了锂的原子核，问将放出多少原子能？【1.7×10¹²焦耳】