核能：揭開原子力量的奧秘
大家好！歡迎來到迷人的核能世界。你可曾想過太陽為何能持續燃燒數十億年，又或者核電站如何從少量燃料中產生巨額電力？這一切的答案都藏在原子最核心的地方 — 原子核。在本章中，我們將會探索兩個驚人的核過程：裂變（分裂原子）和聚變（結合原子）。不用擔心聽起來很複雜，我們會把它拆解成簡單易懂的部分，一步步來學習。準備好了嗎？我們開始吧！
1. 質量與能量的秘密連結
核能的故事始於歷史上最著名的科學家之一——阿爾伯特·愛因斯坦。他發現了一個不可思議的秘密：質量和能量其實是一枚硬幣的兩面。它們可以互相轉化！
愛因斯坦的著名方程式：E = mc²
你很可能以前見過這個方程式。它是開啟核能大門的關鍵。
$$ \Delta E = \Delta m c^2 $$讓我們來分解一下：
- ΔE 是釋放的能量（符號「Δ」表示「變化量」）。它的單位是焦耳 (J)。
- Δm 是反應中損失的質量，也稱為質量虧損。它的單位是千克 (kg)。
- c 是光速，這是一個非常非常巨大的數字（每秒 $$3 \times 10^8$$ 米）。
最重要的部分是 c²（c 的平方）。由於你將損失的質量 (Δm) 乘以一個如此龐大的數字，這意味著即使是將微乎其微的質量轉化，也能釋放出巨大的能量。這就是核能的奧秘！
什麼是質量虧損？「失蹤」的質量
這是一個非常奇妙又有趣的觀念。如果你取一個重原子核（例如鈾）並量度它的質量，你會發現它的質量實際上比所有獨立的質子和中子加起來的總質量還要輕！那麼，這些質量都跑到哪裡去了呢？
這些「失蹤的質量」就稱為質量虧損 (Δm)。它並沒有真的消失；它在原子核形成時轉化為能量。這些能量正是將原子核緊密地束縛在一起的能量，我們稱之為束縛能。
類比：想像你有一盒樂高積木，總重 100 克。當你把它們組建成一個穩固的模型時，完成的模型可能只重 99.9 克。那「失蹤」的 0.1 克，就是轉化成了將樂高模型緊密結合在一起的能量！原子核中發生的就是同樣的原理。
計算核反應中的能量釋放
在裂變和聚變反應中，最終得到的粒子（生成物）的總質量，會比你開始時的粒子（反應物）的總質量略輕。這些損失的質量（質量虧損）會根據 $$ \Delta E = \Delta m c^2 $$ 轉換成能量。
以下是計算步驟：
- 找出反應物的總質量（反應方程式左邊的所有物質）。
- 找出生成物的總質量（反應方程式右邊的所有物質）。
- 計算質量虧損 (Δm)：$$ \Delta m = \text{反應物質量} - \text{生成物質量} $$
- 使用公式：$$ \Delta E = \Delta m c^2 $$ 計算釋放的能量 (ΔE)。
重要單位：原子質量單位 (u)
對於微小的原子來說，使用千克作為單位進行計算會很麻煩。因此，我們使用一個特殊的單位，稱為原子質量單位 (u)。
$$ 1 \text{ u} = 1.661 \times 10^{-27} \text{ kg} $$
通常，試卷題目會以「u」為單位給出原子核的質量。你可以先以「u」進行計算，然後再將最終的質量虧損轉換成千克，以找出以焦耳為單位的能量。
快速回顧：束縛能曲線
科學家們有一張圖表稱為「束縛能曲線」。其主要概念是，週期表中間的原子核（例如鐵）是最穩定的。
- 非常重的原子核（例如鈾）可以透過分裂（裂變）變得更穩定。
- 非常輕的原子核（例如氫）可以透過結合（聚變）變得更穩定。
重點提示： 質量可以轉化為巨大的能量（$$\Delta E = \Delta m c^2$$）。這發生在核反應中，少量「質量虧損」會轉化為釋放的能量。
2. 核裂變：分裂原子
核裂變是將一個大型、不穩定的原子核分裂成兩個或更多較小原子核的過程。這個過程會釋放出大量能量，同時也會產生幾個中子。
裂變如何運作：以鈾-235為例
最常見的例子是鈾-235的裂變，它被應用於核電站中。
- 一個慢速的中子撞擊鈾-235原子核。
- 原子核吸收中子後，變成極不穩定的鈾-236。
- 這個不穩定的原子核會立即分裂成兩個較小的原子核（例如：鋇和氪），並釋放出大量的能量。
- 關鍵的是，它還會釋放2 或 3 個更多的中子。
這是一個典型的裂變方程式：
$$ ^{235}_{92}\text{U} + ^1_0\text{n} \rightarrow ^{141}_{56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3(^1_0\text{n}) + \text{Energy} $$鏈式反應：骨牌效應
裂變過程中釋放出來的中子會怎樣呢？它們可以繼續撞擊其他的鈾-235原子核，導致它們也發生分裂。每一次裂變都會釋放出更多的中子，進而引起更多的裂變。這就稱為鏈式反應。
類比：想像一個房間裡擺滿了已設定好的捕鼠器，每個上面都放著一個乒乓球。如果你將一個球扔到其中一個捕鼠器上，它會被觸發，將自己的球彈射出去。這個球隨後會撞擊其他捕鼠器，觸發更多，如此循環。在幾秒鐘內，你就會看到一個巨大的、能量十足的連鎖反應！
在核電站中，這種鏈式反應會被小心地控制。而在原子彈中，它是不受控制的。
裂變反應堆內部（核電站）
反應堆的工作是控制裂變鏈式反應，以穩定的速率產生熱能。這些熱能隨後用於煮沸水、產生蒸汽，並驅動渦輪機發電。以下是其主要組成部分：
- 燃料棒：這些燃料棒內含核燃料，通常是鈾。裂變就在這裡發生。
- 減速劑：裂變釋放出的中子速度太快，不容易被其他鈾原子核吸收。減速劑（通常是水或石墨）的功用是減慢中子的速度，使其更有效地引發進一步的裂變。
- 控制棒：這些棒由能吸收中子的材料（例如硼或鎘）製成。透過將它們升降進出反應堆，操作員可以控制鏈式反應的速率。降低控制棒會吸收更多中子，減慢反應；升高控制棒則會加速反應。它們就像反應堆的「剎車」。
- 冷卻劑：一種流體（通常是水），通過反應堆核心泵送，以帶走裂變產生的巨大熱量。這些熱冷卻劑隨後將其他水加熱，產生蒸汽用於發電。
你知道嗎？香港的很大一部分電力來自大亞灣核電站，它正是利用核裂變來產生潔淨能源。
重點提示： 裂變是重原子核（如鈾）的分裂過程。這會釋放能量和更多的中子，進而導致自持的鏈式反應。在反應堆中，這種反應是透過使用減速劑和控制棒來控制的。
3. 核聚變：合而為一
核聚變是指兩個輕原子核結合，或稱「聚變」，形成一個單一、更重的原子核的過程。這個過程釋放的能量，每個核子平均甚至比裂變還要多！
太陽的能量來源
聚變是為我們的太陽和所有其他恆星提供能量的過程。在太陽內部，巨大的壓力和溫度（數百萬攝氏度！）極高，使得氫原子核被猛烈撞擊並結合形成氦。
科學家們正在地球上嘗試開發一種常見的聚變反應，涉及兩種氫的同位素：氘（²H）和氚（³H）：
$$ ^2_1\text{H} + ^3_1\text{H} \rightarrow ^4_2\text{He} + ^1_0\text{n} + \text{Energy} $$就像裂變一樣，生成物（氦 + 中子）的總質量少於反應物（氘 + 氚）的總質量。這些質量虧損會轉化為巨大的能量。
為何聚變在地球上如此困難？
如果聚變如此強大，為何我們還不把它用於發電呢？因為創造合適的條件實在是難如登天。
原子核都帶正電，而同性電荷會互相排斥（靜電斥力）。要讓它們足夠接近以進行聚變，你必須克服這種斥力。
類比：這就像試圖將兩個超強磁鐵的北極相互推近一樣。你需要巨大的力量和能量才能做到。
要實現這一點，你需要：
- 極高溫度：超過 1 億攝氏度，才能使原子核以足夠快的速度碰撞並聚變。
- 極高壓力：將原子核緊密地擠壓在一起。
科學家們正在為此努力，但建造一個能夠持續產生能量的聚變反應堆，是當今最大的科學挑戰之一。
裂變與聚變：快速比較
核裂變
- 過程：一個重原子核分裂成較輕的原子核。
- 燃料：鈾、鈈（重而稀有的元素）。
- 條件：相對容易啟動和控制。
- 廢物：產生長期放射性廢物。
- 現有用途：用於所有現有的核電站。
核聚變
- 過程：輕原子核結合形成一個較重的原子核。
- 燃料：氫同位素（在水中含量豐富）。
- 條件：需要極高溫度和壓力。
- 廢物：產生極少量長期放射性廢物（主要是氦）。
- 現有用途：為太陽提供能量；在地球上仍處於實驗階段。
重點提示： 聚變是輕原子核的結合過程，它會釋放出巨額能量。它是為恆星提供能量的過程，但由於需要極高的溫度和壓力，在地球上要實現它極為困難。
本章摘要：裂變與聚變一覽
太棒了，你已完成了本章的學習！你已了解了質量和能量之間的基本聯繫，以及我們如何利用它們。
- 質能等效（$$\Delta E = \Delta m c^2$$）：核反應中少量損失的質量（質量虧損）會產生巨大的能量。
- 核裂變：重原子核的分裂。這被應用於核電站中，並透過鏈式反應來維持，而鏈式反應則由減速劑和控制棒控制。
- 核聚變：輕原子核的結合。這為太陽提供能量，並有望在我們克服技術挑戰後，成為未來潔淨而強大的能源。
理解這些概念有助於我們領會原子內部的力量，以及從天上的星星到家中電力背後的科學原理。繼續努力，你一定能學得更好！