原子能

原子能又称“核能”。即原子核发生变化时释放的能量，如重核裂变和轻核聚变时所释放的巨大能量。放射性同位素放出的射线在医疗卫生、食品保鲜等方面的应用也是原子能应用的重要方面。

原子能是指原子核里的核子——中子或质子，重新分配和组合时释放出来的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc2。公式中的E指能量，m指质量，c指光速。由于光速十分快，所以仅仅需要一点点的质量，就会产生庞大的能量。

原子能目前主要有两种，聚变能与裂变能。当今的核燃料主要是铀，1公斤铀原子核全部裂变释放出来的能量约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。

地球上的铀主要分为铀-238和铀-235，占比分别为99.7%和0.3%，铀的储量很低，适合开采的总量约为100万吨，且分布极不均匀。按照世界上目前的消耗来看，几十年就可以消耗完。但是在海洋这个巨大的宝库中，含有极为丰富的铀资源。

据估算，海洋中含铀达45亿吨，是陆地总储量的几千倍，但是海水中的铀含量是很低的，1000吨的海水中含有3克铀，也就是说，1千克的铀，需要处理33万多吨的海水。值得一提是原子能同石油一样是不可再生能源，它们的不同在于原子能是清洁能源。

质子一类的粒子可以加速到极高能量，因为这些粒子又小又轻。今天，加速一辆车或太空飞船至接近光速还是不可能的事，因为加速一个物体所需能量会随其质量增加。但是从另一个角度说，几个粒子内也蕴含着巨大的能量，这就是原子能。原子能的基础称为核能，大小同样和质量有关，但是和加速一定质量物体所需能量的概念完全不同。

德裔美国理论物理学家爱因斯坦作出过许多革命性的发现。其中之一就是他最著名的质能方程：E=mc2，式中：E表示能量;m表示质量，c表示真空中的光速。爱因斯坦的理论认为，物体含有静止能量，其值可从上述方程得到。

这是一种具有革命性的想法，因为这种能量既不依赖于运动，也和任何我们熟知的机械能或化学能无关，而仅仅基于物质质量。这个方程表示物质和质量是可以互换的，且交换系数相当大。光速值已经很大了，为30万千米/秒，在方程中将光速平方，使系数大得惊人。

因此质量为m的物体所包含的能量E，根据爱因斯坦的质能方程，将等于mc2，是一股十分巨大的能量。这个方程被证明是正确的，为核能的发展提供了舞台。核能既用于有益的核电反应堆，也用于毁灭性的核武器。

与爱因斯坦同时的法国物理学家贝克勒耳，在1896年发现了放射性现象，波兰科学家玛丽亚·居里与丈夫比埃尔·居里在这一领域进行了更为深入的研究。放射性是指某些特定原子核发生衰变时放出能量的现象。例如，

铀元素的原子核能发射α粒子，同时自身衰变为钍元素的原子核(放射性是卢瑟福和其他科学家实验所用α粒子的来源)。粒子发射是自发产生的，不需任何帮助或激发就会出现，出现的时间间隔是随机的。1903年，上述3位科学家分享了诺贝尔物理学奖，居里夫人凭借其对放射性化合物的进一步研究，于1911年获得诺贝尔化学奖。

不久之后，物理学家发现了裂变现象：一个原子核分裂为其他几个更小的原子核。裂变与放射性一样，也伴随着能量释放。但是裂变通常不是自发发生的，例如铀元素的原子核可以分裂为两个小一些的部分(钡原子和氡原子)，但这仅在吸收一个中子的情况下发生。

在这一过程中，一小部分质量“消失”了：反应产物钡、氡及几个中子的总质量，比反应前铀及其吸收的中子的总质量略小。这一部分质量变成了能量，能量大小由爱因斯坦的质能方程E=mc2确定。仅有一小部分(约0.1%)质量转化为能量，但由于方程中c2一项，得到的能量仍然是惊人的。

这些发现促成了原子弹的发明，第二次世界大战期间由在美国工作的科学家秘密研制。这些原子弹用铀或钚的特定同位素制造。一种元素的所有原子其核内含有的质子数都是相同的，但是中子数目在一些原子内是可变的，一种元素的同位素含有相同数量的质子和不同数量的中子。

原子核内的中子数往往会影响那些放射性元素放射性的大小，以及核裂变的难易程度。原子弹制造者当然会选用最容易发生裂变的同位素。原子弹内会发生链式反应，大量原子核同时裂变。发生链式反应是由于最初中子引发几个原子核裂变，裂变生成更多中子(还有其他产物)继续引起其他原子核裂变使反应连锁进行下去。

到目前为止，人类在战争中仅使用过两枚原子弹，均为第二次世界大战期间，都是美国向日本投掷的。像人们期待的那样，原子弹终止了这场罪恶的战争，但是原子弹引起的死亡和破坏同样非常可怕。第一枚原子弹于1945年8月6日投掷于日本广岛，其能量相当于1.3万吨烈性炸药三硝基甲苯(TNT)，导致约10万人死亡。另一枚原子弹于1945年8月9日投掷于日本长崎，破坏程度相当。

使用原子弹的结果不仅仅是爆炸的破坏，还有放射性物质的扩散。其中许多放射性同位素以电离辐射的形式发出能量。电离辐射是有害的，前文曾提到过，是源于其对细胞分子的破坏。DNA分子尤其脆弱，对DNA分子的破坏将导致基因突变，从而引起人及其他生物死亡或不可恢复的永久性损伤。

早期研究放射性物质的物理学家最初并没有意识到这种损害，例如居里夫人，她很可能就死于由于长期暴露于放射性物质所引发的疾病。

1、核电

提到原子能，核电站绝对是人们第一个想到的和平利用方式。自1954年苏联在莫斯科西南奥布宁克斯建成第一个核电站以来，核电成为了人类能源来源的重要组成部分。

据国际原子能机构在2011年发布的数据显示，全球运行中的核电机组共计442个，兴建中的核电机组65个，核电发电总量占全球电量的16%。核电占据法国发电总量的80%，是法国电力的主要来源。

据2016年数据，我国目前运行中的核电机组共计34台，数量上仅次于美国、法国、俄罗斯，位列全球第四;在建核电机组20台，稳居世界首位，占全球在建核电机组数量的40%，是世界上核电发展最快的国家。

核电站的原理基本与火力发电站相同，核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。利用蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，其发电机组和火力发电站大同小异，奥妙全在核反应堆中。

核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置，主要分为四类：沸水堆、压水堆、重水堆和快堆。其中快堆与前三种不同，前三种对核燃料铀的利用率只有1%-2%，快堆可以达到60%-70%，但快堆的技术相较于前三种还不完善。

核电的优点有很多，如不会产生温室气体、能量密度极高、燃料体积小、运输储存都比较方便等。1000百万瓦的核电站一年仅需30吨的铀燃料，一航次的飞机或是一次汽车就可以运送。如果是烧煤发电站，一年所需原煤大概300万-400万吨，需列车2760辆。

但是，我们也需要正视核电的缺点：核电站的热效率低，相较于传统电厂，将有更多的废热直接排放进大气中;核电站的核燃料成本低，但是前期成本十分高;最关键的，核废料尤其是高放射性的核废料的处理一直是个很大很重要的国际性难题，运行中如果产生了事故，造成核泄漏，将对生态环境和民众造成极大的威胁。

历史上曾有三次比较重大的核事故，分别是三里岛事故、切尔诺贝利核电站爆炸和福岛核危机，其中切尔诺贝利事故是历史上最大的核事故。

2、核动力机械

除了大家熟知的核动力航母、核动力潜艇这种军事领域核动力的应用，其他领域内核动力也发挥了很大的作用。

破冰船是目前装备核动力比较多的非军用舰船。“北极”(Arktika)是世界上最大的破冰船，长134米，宽30米，排水量23000吨，安装两座反应堆。Arktika是第1艘达到北极极点的水上舰船。

核动力商船从上世纪60年代美国的Savannab建成以来，经历了数十年的发展，仅俄罗斯的破冰集装箱船Sevmorput获得成功。与同尺寸的常规动力的商船相比，载货量极低，船员数量却高了2倍，加上培训船员的费用，使用起来是不经济的。

核动力驱动机械的原理基本与用于发电的原理相同，区别只是在于核电站的蒸汽轮机带动发电机组，核动力舰船是带动齿轮箱，传动到螺旋桨。提到蒸汽轮机，有人戏称人类对原子能的利用还停留在用它烧开水的地步。但这是有原因的，水是反应堆良好的慢化剂和冷却剂，也是人类使用最多的热机工质之一，自然大部分热中子堆就变成烧开水的核锅炉了。

3、生产放射性同位素

一百年前天然放射性的发现，引起了人类对宇宙认识和知识更新的一场伟大变革。放射性同位素的主要来源是核反应堆和加速器。

目前世界上的反应堆中，大概有100多个反应堆会用约5%多一点的时间生产一定量的放射性同位素，这之中多数由研究堆产生。放射性同位素目前的用处之多之广，不熟悉的人了解之后肯定是相当吃惊的。它可以应用于多个领域，例如医学、工业、农业、科学研究等。

在医学上同位素主要用于显像、诊断和治疗，另外还包括医疗用品消毒、药物作用机理研究和生物医学研究。“放疗”这个名词许多人都应该听说过，这可能是大众了解最多的一种放射性同位素的使用，主要用于治疗癌症。放射性同位素源源不断地产生辐射，而这种辐射是低温消灭真菌、细菌、病毒等微生物的首选方法。

农业上，昆虫不育技术基于用;辐射使昆虫不育(丧失繁衍能力)，现已成功地用于铲除损害谷物的昆虫种类，而对于人类健康和环境无任何副作用。科研上，同位素标记原子在遗传研究中起着越来越重要的作用。