【极小篇｜第四章：核物理】05 核聚变

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严老师讲义 

我们在【极大篇】第二章中说过：太阳之所以能发光发热，靠的是核聚变。核聚变同时也是氢弹爆炸的原理。

4.5.1 核聚变

核聚变就是由比较轻的元素聚合成相对重的元素，并释放出大量能量的核反应过程。比如氢弹的原理就是氘和氚发生聚变生成氦，并放出一个中子，同时释放出巨大的能量。氘（dāo）和氚（chuān）是氢的同位素，氢只有一个质子，氘在此基础上多一个中子，氚则是在氘的基础上再多一个中子。

核聚变之所以能产生能量本质是因为结合能。我们可以用前面解释核裂变产生能量的两种观点来理解这个原理。氦的结合方式，其中质子和中子结合的能量比一个氘加一个氚的结合能要低。根据能量守恒，氘和氚结合成氦的时候，有一部分能量就被释放了出来。由于原子核的相互作用力是强力，强力作为自然界已知强度最强的力，以其为主导的结合能被释放出来时，产生的能量是巨大的。

另外一种解释是：由于反应后相较于反应前有质量亏损，它要转化成能量。爱因斯坦的质能方程告诉我们，质量转化成能量要乘以光速的平方，这个数值也是巨大的。

4.5.2 点火温度

实际操作上要让核聚变发生，氘和氚必须以非常高的能量相碰撞。因为强力的强度太强了，要打开它们的核结构并形成新的结构，必须要十分强劲的碰撞才可以做到。

核反应发生要求的环境温度必须非常高。温度本质上是微观粒子的运动动能，温度越高意味着这些粒子的运动速度越快。所以从概率上来看，高温下粒子反应的概率会增大，从而达成大规模的聚变反应。聚变反应不需要链式反应那样的多米诺骨牌效应，需要的就是足够高的温度以保证反应的进行。

我们在【极大篇】第二章中说过：一个天体要成为恒星必须要有足够大的质量来提供足够强的引力，使天体产生足够强的内压力，从而提供足够高的温度，方能开启核聚变反应。

要制作一颗氢弹的原料是非常容易获得的，氘和氚在海水中就大量存在。因此想要让氢弹爆炸只要制造足够高的温度就可以，这个温度大约是一亿度左右。这么高的温度要如何获取呢？原子弹爆炸的中心温度就可以达到一亿度。所以氢弹的结构并不复杂，就是把原子弹安置在氘和氚的外围，原子弹先爆炸产生足够高的中心温度，自然就会产生核聚变，从而引爆氢弹。

4.5.3 为什么会有聚变和裂变

为什么会有核聚变和核裂变这两种核反应呢？核聚变是轻的元素结合变重，核裂变则是重的元素分裂变轻。之所以会发生这些反应，最核心的就是能量最低原理。

任何一个反应会发生，必然是反应后相对于反应前的能量更低，更低的能量更稳定。通过观察可以发现：轻的元素想变重，重的元素想变轻。这隐约告诉我们：质量处在不轻不重的中间态时，应该是最稳定的。元素周期表的中段，必然存在一个最稳定的元素，这个元素就是铁。

铁的原子核的单位质量对应的能量最低。所以其它元素，原则上都可以通过裂变或者聚变的方式变成铁元素。

4.5.4 可控核聚变

氢弹比原子弹的能量要大得多。因为同等能量的释放，核聚变需要的材料更少。核聚变的反应材料很好获取，海水中就大量存在。而核裂变的材料则难以获取，要么是人工合成钚239，要么就是提炼铀235。因为自然界广泛含有的铀元素是铀238，它不能开启链式反应。铀235作为铀238的同位素，在铀矿中的含量极少，不到1%。

裂变反应后产生的环境污染比核聚变要严重的多。聚变的反应物中有辐射危害的不过是中子，中子的半衰期是半个小时左右，比较容易消散，但我们的核电站都是裂变核电站。如果能人工控制核聚变，我们几乎可以获得取之不尽、用之不竭的清洁能源。

可控核聚变就是通过人工控制核聚变，使其稳定的释放能量，而不是以原子弹点火的方式爆炸。可控核聚变的目标可以说是人造一个太阳，以此获得巨大的能源。

实现可控核聚变的难度是非常高的。要产生核聚变需要一亿度的高温，目前除了原子弹爆炸可以提供如此高的温度外，还有一种办法就是激光。

但是要把一亿度高温的反应物用容器装载是十分困难的。即便我们能把反应物加热到一亿度，也没有任何材料可以装载这么高的温度。

现在基本都是用磁约束技术来装载如此高温的物质。高温的反应物处于等离子状态，也就是原子里的电子都被拔出来了，所以是带电的。既然带电，它们只要运动起来就会受到磁场的作用。

可控核聚变用的是一种叫做托克马克的实验装置。这种装置的形状像一个甜甜圈，反应物都在“甜甜圈”里面旋转。它的管道里有超强的垂直于“甜甜圈”平面的磁场，带电的反应物在洛伦兹力的作用下转圈，因此可以被约束住，不与其它物体产生实质接触。

但是即便如此，要保持高温点火是十分困难的。因为激光要聚焦在反应物上，而反应物处在高速旋转中，难以维持长时间的高温状态。

可控核聚变已经是被研究了几十年的老课题，至今还没有质的飞越。

至此，我们对核物理的讲解已经完毕。现在来回顾一下，我们在极小这条道路上走了多远。

首先我们通过研究原子知道了原子的构成，也知道可以通过量子力学来描述原子里电子和原子核的关系。

到了核物理的章节，我们研究的尺度就更小了。通过对体积只有原子的几千亿分之一的原子核的研究，我们清楚了原子核是由质子和中子构成的。也知道了质子和中子之间依靠介子提供强相互作用力，从而稳定原子核的结构。

但是我们最开始的目标，其实是去寻找构成万事万物的最基本单元。既然是基本，到质子、中子和介子这个层面是不够的。既然性质各不相同，说明它们还不够基本。我们应该继续探索比质子、中子和介子还要小的基本粒子。

目前我们对基本粒子的探索，都局限于原子核内。我们已经事先假定了原子核的结构。但如果要研究广义上的基本粒子，我们不应当只局限在原子核内进行讨论，而应当考虑它们的广义性质。比如我们还没有讨论过宇宙射线里各种各样的粒子。这也是我们的下一章【粒子物理】将要讨论的内容。

我们会发现质子和中子并不是最小的基本粒子。还有很多不存在于原子核内的新基本粒子，我们将用更加广义的方式去研究它们。