什麼是「原子能」?(難度:16)

Question

☞ 什 麼 是「 原 子 能 」 ？

Answer 1

核能(或稱原子能)是通過轉化其質量從原子核釋放的能量，符合阿爾伯特·愛因斯坦的方程E=mc²，其中E=能量，m=質量，c=光速常量。核能通過三種核反應之一釋放：

- 核裂變，打開原子核的結合力。-
核裂變，又稱核分裂是指由重的原子，主要是指鈾或鈈，分裂成較輕的原子的一種核反應形式。原子彈以及裂變核電站（或是核能發電廠）的能量來源都是核裂變。 其中鈾裂變在核電廠最常見，加熱後鈾原子放出2到4個中子，中子再去撞擊其它原子，從而形成「鏈式反應」'而自發裂變。撞擊時除放出中子還會放出熱，再加快撞擊，但如果溫度太高，反應爐會熔掉，而演變成反應爐融毀而造成嚴重災害，因此通常會放控制棒（硼製成）去吸中子以降低分裂速度。

核聚變，原子的粒子熔合在一起。
核聚變，又稱核融合。是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，並伴隨着巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨着能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發光發熱的能量來源。

相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。

目前人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變，但是現在看來還有很長的路要走。

核衰變，自然的慢得多的裂變形式。
核衰變是放射性核素自發地釋放射線和能量，最終轉化為其他穩定核素的過程。放射性核素在進行核衰變的時候，根據核素的性質可能放射出α射線、 β射線、γ射線以及俘獲電子等。

由於一個原子的衰變是自然地發生，即不能預知何時會發生，因此會以機會率來表示。每顆原子衰變的機率大致相同，做實驗的時候，會使用千千萬萬的原子。當原子開始發生衰變，其數量會越來越少，衰變的速度也會因而減慢。例如一種原子的半衰期為一小時，一小時後其未衰變的原子會剩下原來的二分一，兩小時後會是四分一，三小時後會是八分一。

原子的衰變會產生出另一種元素，並會放出阿爾法、貝塔粒子或中微子，在發生衰變後，該原子也會釋出伽馬射線。衰變後的實物粒子靜止質量的總合少於衰變前實物粒子靜止質量的總和，因為根據質能方程，能量可以表現出質量，當物體的能量增加E，其質量則增加E/c2，當物體的能量減少E，其質量也減少E/c2，如果一個原子核衰變後放出實物粒子，假設該原子核在衰變前相對於某一貫性參照物靜止，衰變後的新原子核和所放出的實物粒子相對於該慣性參照物運動，即對於該慣性參照物而言，新原子核和所放出的實物粒子具有動能，當新原子核或所放出的實物粒子與其他粒子發生碰撞，它便會失去能量。因此，衰變前和衰變後質量和能量都是守恆的，粒子的靜止質量則不守恆。如果該原子核放出光子，同樣的，光子也具有質量，但沒有靜止質量。通常衰變所產生的產物多也是帶放射性，因此會有一連串的衰變過程，直至該原子衰變至一穩定的同位素。

發生核衰變的放射性核素有的是在自然界中出現的天然放射性同位素，如碳14，但其衰變只會經過一次β衰變轉為氮14原子，並不會一連串地發生。也有很多是經過粒子對撞等方法人工製造的核素。