核裂變與核聚變是兩個相反的過程，為何都能釋放能量？

2020-10-18 艾伯史密斯

核裂變與核聚變釋放能量，是以鐵-56為分界線的，鐵-56的比平均結合能最低，是所有原子核中最穩定的。

我們知道，氫彈的爆炸原理是核聚變，原子彈的爆炸原理是核裂變，核裂變與核聚變似乎是兩個相反的過程，為何都能釋放大量能量呢？

其中的原理與原子核的構成有關，原子由原子核與核外電子組成，原子核又由質子和中子構成，把質子和中子束縛在一起的力叫做強相互作用，強相互作用是四種基本力中最強的，強度是電磁相互作用的137倍，是萬有引力相互作用的10^39倍。

我們來想像這麼一個過程，兩個天體因為萬有引力相互吸引而繞行，如果我們要把兩個天體分開，就需要藉助外力的作用使其相互遠離，這個過程需要輸入能量來克服引力勢能，所以兩個天體靠得越遠引力勢能越大。

我們可以類比原子核內的情況，以氦-4為例，質子和中子通過強力結合在一起，如果我們要把原子核中的質子和中子完全分開，就需要輸入能量，說明質子和中子在完全分開的情況下，整體具有的能量更高。

反過來說，質子和中子相互結合時就會釋放能量，氫元素聚變為氦元素就屬於這種情況，由於強相互作用很強，所以強力變化導致的能量釋放也高，強力比電磁力強137倍，自然化學反應中的能量變化無法與核反應相比較。

於是核聚變就能釋放巨大的能量，但是要引發核聚變並不容易，因為強力的作用範圍非常小，原子核間必須克服質子的排斥力（電磁力），使質子間的距離達到強力作用範圍後才能結合，比較直觀的辦法就是增加原子核的撞擊速度和撞擊頻率，宏觀條件就是增加溫度和壓力。

但是隨著質子數的增加，會遇到一個大問題，就是強力的作用範圍很有限，而質子間的的電磁力還在疊加，於是隨著核子（質子和中子）數的增加，強力的作用在減弱，原子核反而變得不穩定，最後甚至無法形成穩定的原子核，其中的臨界線就是鐵-56。

於是小於鐵的原子，聚變會釋放能量，而高於鐵的原子，裂變也會釋放能量，但是重原子核內的強相互作用沒有輕原子核內的強，所以裂變釋放的能量沒有聚變高。

在物理學中，我們用結合能來表示把不同原子核分解為質子和中子時，需要輸入能量的大小，顯然核子數越多結合能也越高。

真正反應原子核穩定性的是平均結合能，也就是結合能與核子數的比值，原子核的平均結合能越高，原子核就越穩定，平均結合能越低，原子核就更容易發生聚變或者裂變，由於質量和能量是等效的，所以我們也可以用核子平均質量來描述。

平均結合能就如一個在重力作用下的小球，小球越在靠近谷底的地方越穩定，越靠近山頂越不穩定，當小球從山頂滑落到谷底時，在重力作用下勢能就會做功，在原子核中也是類似的，原子核平均核子質量降低，就會釋放能量，所以核聚變與核裂變都會釋放能量。

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    2019.5.29我曾經認為核聚變只能發生在高溫環境中，核裂變只能發生在放射性元素中，生物只能在一定的常溫環境中生存，所以不存在核聚變核裂變。難道不是某些化學元素裂變為光子的過程嗎？碳元素的熔點高達攝氏3727度，氫氣的燃點只有攝氏570度左右，一般燃燒現象很有可能是氫元素裂變為光子的過程。網上收集各種物質的燃點，煤油的燃點只有攝氏80度，可見碳氫化合物的燃點低於氫氣的燃點。那麼，它們的形成溫度呢？
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    我們都知道原子彈的釋放能量的方式為核裂變，而氫彈釋放能量的方式為核聚變，就連我們在太空當中各大恆星都是利用核聚變釋放能量的。因此可見，核聚變的方式釋放的能量是十分巨大的。相信很多人都聽說過質能方程，在每一個化學反應的背後都損失著一定的質量。
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    有關核聚變和核裂變反應，相信大家都不陌生，簡單地講就是，核聚變就是指我們把一堆輕原子用力「捏」在一起，讓它們變成更重的原子，而核裂變就是指我們用力將重原子「掰開」，讓它分裂成較輕的原子。
  • 中國核聚變獲得重大突破意味著什麼?
    核能、光能、磁能、反物質能都是人類可以長久使用的能源。對這幾種能源的研究、開發和利用是人類獲取新能源的重要途徑。誰在哪個能源領域取得突破，誰就佔領了科技制高點，軍事制高點和航天制高點。中國核聚變獲得重大突破，說明中國在核能的研究、開發和利用上走在了世界前例，其意義非常重大。這意味著中國將有可能率先擁有人類終極能源之一。
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