探析核反应的自然现象与应用途径

核反应是原子核与原子核，或者原子核与其他粒子之间因相互作用而引起的各种变化。核反应是宇宙中早已普遍存在的重要自然现象，是恒星（如太阳）的能量来源，也是我们开展核能、核技术应用的主要途径。

以一定能量的入射粒子轰击原子核，当入射粒子与原子核的距离接近到10－15米时，两者之间的相互作用就会引起原子核的各种变化，从而产生不稳定的新原子核，该新原子核通过放出能量或粒子达到稳定状态，这种现象称为“衰变”。

宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应，自然界中存在的碳－14原子，大部分是由宇宙射线里的中子轰击氮－14原子产生。1919年，卢瑟福用高能α粒子轰击氮原子，使氮嬗变成氧，首次实现人工核反应。在过去的一个世纪中，人类已制备出自然界中不存在的放射性核素约2000种，发现基本粒子300余种。

多个核子（质子、中子）结合为一个原子核时，将发生质量亏损，根据爱因斯坦的质能方程，释放出的能量ΔE＝Δmc2，反之，为了打破一个原子核，使每个核子独立分开，必须吸收对应于质量亏损的能量，与该质量亏损对应的能量被称为原子核的结合能（一般以电子伏特eV作为能量单位）。质量亏损越大，原子核里的核子结合得就越紧密，原子核也越稳定。(www.xing528.com)

一种元素的原子核结合能与核子数（质量数A）之比，被称为比结合能，也叫平均结合能。图1－2的比结合能曲线表明，最轻和最重的原子核比结合能小，中等质量的原子核比结合能较大，也就是说多个核子组成中间位置的原子核时，将发生更多质量亏损（每个核子的平均质量亏损更大），因此，如果要把曲线两端的原子核变为中间位置的原子核时，将发生质量亏损，释放出能量。这种能量不同于化学能（化学键断裂或重组过程中释放出的能量），它来自原子核内部，就参与反应的同等质量物质而言，核能是一种能量高度集中的能源，可达到化学能的几百万倍。

图1－2　比结合能曲线