原子由带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子组成。普通化学反应的热效应来源于外层电子重排时键能的变化，而原子核及内层电子并没有变化。另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化，这类反应叫核反应。核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。1g镭（Ra）在衰变过程中释放的能量是1g镭和足量氯气（Cl₂）起

是6×10^-1kJ。而1g煤完全燃烧时释放的能量仅为30kJ。核反应过程中由于原子核的变化，而伴随着巨大的能量变化，所以核能也叫原子能。认识核反应和研究核能的利用就成为处理能源问题时必须考虑的一个方面。

2.6.1核衰变

在1896年法国科学家BecquerelH发现了铀盐的天然放射性现象，他的同事Marie和Pierre Curie夫妇在1898年铀矿中发现了新的放射性元素钋（Po）和镭（Ra），开创了天然放射性和放射化学研究的新领域。他们3人共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。

U，Po，Ra等这类原子核不稳定，能自发地放出辐射，而变成另一种原子核，这种过程叫核衰变。天然放射性元素铀所放出的辐射，在电磁场作用下可以分为三个部分：α辐射、β辐射和γ辐射，如图2－6所示。

在电场中偏向负极的是带正电的α粒子流，α粒子与氦原子核相同，质

写作：

在电场中偏向正极的是带负电的β粒子流，它的性质和电子完全相同，

是：

在电场中不偏不移的是中性的γ辐射，它是一束短波光子流，波长在0.1～0.0005nm之间。所有的衰变过程都伴有γ辐射，因为衰变产物一般是处于不稳定的激发状态，当恢复到稳定状态时就放出光子，γ辐射没有改变原子核的质量数和电荷数，所以在书写核反应式时，常将其忽略，如上述两个核衰变中都伴有γ辐射。

经过仔细研究得知自然界存在三个天然放射系，即铀系、钍系和锕系。每个系列各有多代母子体连续衰变的关系，最后都生成稳定的82号元素铅（Pb），中间产物有原子序数介于82～92之间的各种衰变产生的子体。α辐射使质量数减少4，而β辐射对质量数没有影响，所以这些衰变子体间质量数的差都是4。

在研究天然放射现象的过程中，人们又发现了人工放射性。1934年，Irene  Curie（Marie和Pierre的女儿）和她的丈夫Frederie Joliot用

得的，这是第1个人工放射性核素①，它衰变时放出的正电子流，在天然放射性中没有见到过。从此开创了人工放射性时代。科学家们用各种高能粒子轰击靶核，引发核反应，制造新核素和新元素。常用的轰

等，这些粒子在加速器中获得足够能量克服与靶核间的库仑斥力发生核反应，产生新的核素。60年来人工合成的核素已有2000多种，在1992至1993年

人工核反应最为重要的用途是制造新元素，原子序数大于92号铀的元素，统称超铀元素。自93号镎Np至111号元素都是人工在加速器里合成的，它们的寿命核都很短促（在毫秒间即可衰减一半），产量也极其微少。例如1995年在德国重离子加速器研究中心的科学家们合成的110号和111号元素各得到了3个原子。在这个领域工作的科学家们有一整套研究超微量元素的物理和化学性质的巧妙方法，证实这些新元素的发现。

在研究人工核反应的过程中又发现了核裂变现象。

2.6.2 核裂变、原子弹、核电站

1938年Hahn O和 Strassman F研究中子轰击U－235的产物时，想发现新元素的愿望虽未实现，但却发现了另一类核反应－

素，同时又产生几个中子，还释放大量的能量。裂变产物的组成很复杂，它们的原子序数在30（锌Zn）至65（铽Tb）范围内分布。现在已知的有36种元素的200多种核素，如U－235裂变时可产生钡（Ba）和氪（Kr）或氙（Xe）和锶（Sr）或锑（Sb）和铌（Nb）等。

U－235裂变过程中，每消耗1个中子，能产生几个中子，它又能使其他U－235发生裂变，同时再产生几个中子，再有U－235裂变，这就形成了链式反应，如图2－7所示。

图2－7中子诱发U－235裂变形成链式反应

连续核裂变释放出巨大的核能，若人工控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生的能量加热水蒸气，推动发电机，这是建设核电站的基本原理；若让裂变释放的能量不断积聚，最后则可以在瞬间酿成巨大的爆炸，这是制造原子弹的原理。

随着二次世界大战的爆发，核裂变的研究被吸引到制造原子弹的工作中去了，自1939年起，美国政府拨出巨款，设立机构，动员各方面力量投入庞大的原子能研究。经过6年多的研究，1945年7月16日在美国新墨西哥州的沙漠中第一颗原子弹试爆成功，同年8月6日和8月9日先后在日本广岛和长畸投下原子弹，在人类历史上写下了令人难忘的一页，受害的日本人民的痛苦至今犹在。原子弹的结构原理如图2－8所示。

只占0.7％，其余是U－238，它不能发生连续裂变。因此这两种核素的分离是首要问题。科学家们是利用六氟化铀（UF₆）气体扩散速度不同进行提纯，使U－235富集到93％，这是一项非常艰巨的分离工作。其次为了使原子弹在需要的时候才爆炸，一颗原子弹中有两块U－235，每块质量都不太大，连续裂变时所释放的能量不足以引起爆炸，但当两块铀合在一起时，便能在瞬间发生强烈爆炸②。所以在原子弹之中还用一个普通的小炸弹作为引爆装置，它的爆炸使两块铀挤压在一起发生爆炸。在铀块外面还有中子反射体，作为减少中子外逸的保护层。一个原子弹的爆炸威力相当于10万吨普通炸药（三硝基甲苯，简称TNT）。

原子能的研究成果，不幸首先用于战争，危害人民。但二次大战结束后，科技人员很快致力于原子能的和平利用，使它造福于人民。1954年前苏联建成世界上第一座核电站，功率为5000kW。至今世界上已有30多个国家400多座核电站在运行之中，世界能源结构中核能①的比例逐渐增加。核电站的工作原理如图2－9所示。

核电站的中心是核燃料和控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是用能吸收中子的材料制成的，如硼（B）、镉（Cd）、铪（Hf）等是合适的材料。利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度，U－235裂变时所释放的能量可将循环水加热至300℃，高温水蒸气推动发电机发电。由此可见核电是一种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投资虽高，但运行时就没有运送煤炭、石油这样繁重的运输工作，因此还是经济的。所以发展核电是解决当前电力缺口的一种重要选择。但有两个问题总是令人担忧，一是保证安全运行，二是核废料的处理。

国际上曾发生过两次重大的核电事故。1979年3月28日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站，因反应堆冷却系统失灵，使堆心部分过热，致使部分放射性物质逸入大气。但事故得到及时处理，没有引起爆炸，对人伤害不很严重，只是核电站受到一定程度的破坏。1986年4月26日在前苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站，因人为差错和违章操作发生猛烈爆炸，反应堆内放射性物质大量外泄，造成大面积的环境污染，人畜伤亡惨重。放射性伤害，轻者有白血球减少、恶心、呕吐、脱发等症状，重者则有出血、溃疡、遗传失常、癌症等。所以核技术单位都有严格的防护措施以保工作人员的安全。在核电站建设中必须坚定不移地执行安全第一的方针，站址要设在地质结构稳定的岩石层，能承受地震、洪水、飓风等各种自然灾害的侵袭，反应堆的外壳要充分考虑各种可能产生的高压高温情况，操作人员必须经过严格培训和考核才能上岗。国际原子能委员会还组织专家对各核电站进行评审，确保安全。总之，核能的开发，安全必须先行。我国自1982起决定要稳妥而积极发展核电，第一座自行设计的30万千瓦核电站，建在浙江省海盐县秦山脚下，地质构造良好，靠山临海。1995年7月正式通过国家验收。第二期工程两台60万千瓦机组将动工，第三期工程亦在计划中。秦山核电站的建成，使华东地区的缺电情况有所缓解。此外在广东大亚湾引进两台90万千瓦的核电站正在建设之中，辽宁建新核电站也已开始筹建。预计到2000年我国将有200多万千瓦的核电能力。

核电站废料的处理也是非常棘手的事情。U－235裂变产生的碎核都具有放射性。反应堆工作一定时间后，必需更换新燃料，卸下的放射性废料就存在着如何处理、运输、掩埋的问题。早期曾将废料直接埋入地下，但即使掩埋较深，久而久之地下水总会使这些放射性物质扩散。后来又将废料装在金属桶里，外面加一层混凝土或沥青，弃于海底，在大西洋北部和太平洋北部都有这些废料的“墓地”。经多次国际会议商讨，现在认为对用过的核燃料中还有未燃尽的铀，应尽量回收，这样既可提高资源的利用率又减少废料的放射性。废料中还有些有使用价值的放射性物质和非放射性物质，也应提取分离，这些过程统称为“后处理”。其他放射性废料应装入特制容器，它具有防震、防腐、防泄漏等特性。然后将容器深埋在荒无人烟的岩石层里，使它长期与生物界隔离，其放射性禁锢于容器内而不扩散核污染。随着核电的发展，核废料的处理是必须认真对待的重要问题。在反应堆的运行过程中和核燃料的后处理过程中有许多化学问题值得深入研究。

2.6.3核聚变和氢弹

由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时

①

每克氘聚变时所释放的能量为5.8×10⁸kJ，大于每克U－235裂变时所释放的能量（8.2×10⁷KJ）。从能源的角度考虑，核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为1.5×10^-4∶1，地球上海水总量约为10¹⁸吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。遗憾的是这个聚变反应需要非常高的温度，以克服两个带正电的氘核之间的巨大排斥力（从理论计算，要克服这种库仑斥力需要10⁹℃的高温）。氢弹的制造原理，就是利用一个小的原子弹作为引爆装置，产生瞬间高温引发上述聚变反应发生强烈爆炸。氢元素的几种同位素之间能发生多种聚变反应，这种变化过程存在于宇宙之间，太阳辐射出来的巨大能量就来源于这类核聚变。但我们目前尚没有办法在地球上利用这类核聚变发电，怎样能取得这样高的温度？用什么材料制造反应器？怎样控制聚变过程等各种问题尚无答案。核科学家并未放弃核聚变的研究，另外一个反应温度低些的聚变反应已引起人们的关注，它以氘和锂（Li）为原料，在特定的强磁场中，可以发生下列聚变：

此外等离子体①可控热核反应，激光技术引发核聚变等方面的研究都有一定成果。至于是否能利用核聚变的能量发电，目前还处于实验室的初探阶段。

从能源发展的角度看，核电将逐渐成为电力工业的一个重要支柱。此外，核技术在工业、农业、医疗、环境等领域也有广泛的应用。中国核工业总公

核素在许多医院被用作诊断和治疗的有效手段。现已建立了200多种核医学诊断方法，有20多种医疗用品进行辐照消毒。被称为无刀手术的“伽马刀”就是将γ射线聚焦于癌变部位，γ辐射能抑止恶性细胞的生长；在农业方面近年来应用辐照技术，为几十种农作物培育了400多个优良品种；在工业方面如金属探伤、综合找矿、化工冶金等领域也都采用核

或出土文物年龄的探针。总之，核能和核技术已进入社会经济生活中。