本文參加百家號科學#了不起的基礎科學#系列徵文
「我不知道第三次世界大戰用什麼武器，但我知道第四次世界大戰用的武器是石頭。」——愛因斯坦
愛因斯坦的這句話正是體現了核能是一把雙刃劍，「核物理」這三個字是所有科學理論中最令人生畏和激動的短語之一。每當我們說到核物理，大多數人腦海中都會浮現出蘑菇雲的畫面，隨之而來的就是核輻射帶來的災難和揮之不去的陰影。
但是核物理也為人類打開了能源世界的一扇窗戶，我們以前賴以生存的原子之間的化學能是無法滿足人類對能源的需求；核物理也真正讓人類體驗到了原子核內蘊含的巨大能量，今天我們就聊下：結合能、核物理和放射性。
萬物的基本成分
首先我們看一下組成所有物質的基本成分。深入到我們身體的細胞，細胞器，構成它們的分子，一直到構成地球萬物的元素：單個原子。
每個原子的核心都是由質子和中子組成的原子核，而質子和中子又是由更基本的粒子組成，即夸克和膠子。因此當談到核物理的時候，我們就會想到無數的粒子以及這些粒子是如何在最小的尺度上結合在一起的。
我們知道在最基本的層面上，夸克和膠子結合在一起，每個核子都由三個夸克組成，其中核子是質子或中子的通稱。
核子中多出來的質量來自哪裡？（結合能）
如果我們分別查一下夸克和質子、中子的質量，我們就會知道中子和質子不僅僅是由三個夸克組成的。
我們通常說質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由一個上夸克和兩個下夸克組成。
但上夸克的質量約為4-5兆電子伏（自然單位），下夸克的質量約為7-8兆電子伏；基於此，我們可能會認為質子的質量應該在17兆電子伏左右，中子的質量在19兆電子伏左右。
這樣的加減感覺很合理，但這樣加出來的質量只佔實際質子質量和中子質量的2%左右，質子質量和中子質量分別約為938兆電子伏和940兆電子伏。那麼多出來的質量來自哪裡呢?
多出來的質量來自結合能。上文中關於夸克質量的數字是理論上自由夸克的質量，自由夸克不受任何其他力的束縛。但是在宇宙目前的能量下夸克不可能自由獨立的存在，我們稱之為夸克禁閉。這是因為量子色動力學的規則，在強力的作用下帶色荷的夸克必須與其他夸克結合在一起，使總色荷為0！因此夸克只能穩定地存在於束縛態中，而夸克唯一能穩定超過一微秒的束縛態就是質子和中子。
所以，我們在質子或中子中觀察到的「質量」的大部分不是來自，定義核子本身的三個夸克的質量，而是來自使夸克結合在一起的強力場。
另一種看待質量差的方法是，把構成每個核子的膠子和虛粒子（夸克和各種類型的反夸克）看作是質子或中子質量的來源。
也就是說，一個質子或一個中子，實際上看起來比三個夸克要複雜得多。事實上，組成質子或中子的三種夸克更準確地稱為價夸克，而所有其他由虛膠子產生的夸克和反夸克對被稱為海夸克，它們攜帶了一個核子98%的質量。
核能
除了一個單獨的質子（普通的氫核）之外，核子在自然界中也不是孤立存在的。
核子也存在於相互束縛的狀態中。這就是原子多樣性的開始，也是組成萬物的基礎，原子核中有不同數量的質子（構成不同的元素）和不同數量的中子（構成不同的同位素）。質子和中子的每一個獨特組合都有獨特的結合能，而且只有極少數的組合是穩定的。
核子最簡單的組合是：一個質子和一個中子稱為氘，比一個自由質子和中子輕2.2兆電子伏。現在開始加入更多的核子，比如兩個質子和兩個中子形成氦-4，比那四個自由粒子輕了28兆電子伏。所有元素中最穩定的是鐵-56，有26個質子和30個中子，它的質量比26個自由質子和30個自由中子輕492兆電子伏。元素聚變所釋放的能量就是來自結合能，這就是為什麼同樣數量的核子結合在一起質量會降低的原因。
但是到鐵-56這裡再往後的元素，就沒有比鐵-56更高的結合能了，所以鐵聚變就不在釋放能量。這就是鐵不能再聚變下去的原因。
低質量粒子容易融合成高質量粒子，並且釋放出巨大的能量。只要能達到足夠的溫度和密度，核聚變是自然就能發生的事情，這既是商業核聚變的過程，也是宇宙中所有比鋰重的元素在恆星的核熔爐中產生的過程！（大爆炸誕生了少量的鋰）
不穩定元素的放射性
從鐵以後的元素，也就是大多數更重的原子核，由於其核子的結合能太小，不能有效的控制原子核，就會自發地經歷三种放射性衰變，從而達到更穩定的狀態：
γ衰變，指原子核發射出伽馬射線，即高能光子，形成質量稍低、質子和中子數量相同的原子核;β衰變，原子核釋放一個電子和一個反電子中微子形成一個質量稍低的原子核，比母核多一個質子，少一個中子;α衰變，一個原子核發出一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子，稱為α粒子），並導致一個質量較低的原子核，比母核少兩個中子和少兩個質子。這些衰變過程對於一個原子核可能是一次性的，因為經歷衰變後產生的子核可能是穩定的，或者經歷的其中一種衰變可能只是放射性衰變鏈的一部分，而放射性衰變鏈需要許多步驟才能達到一個穩定的原子核。
需要注意的是：
質子和中子的每種組合都具有特定的結合能，因此具有特定的靜止質量，但是只有三種類型的放射性衰變，每一種都會產生光子（無質量）、電子（給定質量的小粒子）或α粒子（給定質量的大粒子），因此每种放射性元素都會產生放射性衰變，並伴隨著特定的特徵能量和時間尺度（半衰期）！每種輻射粒子（α、β和γ）都需要採用不同類型的材料來阻擋，並保護我們人體免受傷害。
上圖可以看到，α粒子基本上是無害的，一張紙就可以阻擋住α粒子的去路，即使它們真的撞到了你的皮膚，也會被表皮的細胞攔截。如果撞到了你的腳後跟，那基本上會被直接反彈出去。
β粒子會造成一些傷害；它們能穿透皮膚，如果劑量太大，會讓人體患上輻射病危及生命。
要說最致命的當屬γ粒子；這種粒子需要整整30釐米的鉛才能有效地保護人體免受伽馬射線的傷害，而且大多數與輻射疾病有關的病例，比如廣島原子彈，都來自伽馬射線。
總結：我們人類要正確使用核能
還記得俄羅斯的亞歷山大·利特維年科（Alexander Litvinenko）嗎？因被迫攝入放射性同位素釙（Po-210）而中毒，釙是一種發射α粒子的放射性元素。雖然α衰變是無害的，只說的是外部環境，但如果衰變發生在身體外部，所有的輻射都會被吸收，就可能危機生命。（這適用於攝入足夠數量，並且半衰期較短的放射性物質!）
我們每個人身體中都含有C-14，也具有放射性，但對人體無害，所以任何東西只要量足，都能威脅健康。
這就是結合能、核物理和放射性！原子核中蘊含著巨大的能量，它來自核子之間的結合能，是我們正物質宇宙中最高效的能源。核能可以瞬間殺死成千上萬的人，其放射性也能緩慢地毒害任何個體，但如果我們正確地使用核能，它可以成為人類無限的力量源泉。