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第三课 麦吉尔大学名人榜欧内斯特卢瑟福（第6页）

1925年，借助自己发明的质谱仪，阿斯顿发现在任何原子中，原子核的质量都要比组成该原子核的所有质子和中子的质量总和要少一点。

这种现象叫作“质量亏损”

，是因为质子和中子在结合成原子核时，部分质量转变成了结合能。

铁这样的中等质量原子核核子的平均结合能较大，它们比较稳定；而重元素原子核的平均结合能较小。

根据爱因斯坦那个著名的质能方程，重原子核在分裂成中等质量的原子核时，将会有一部分结合能释放出来，这种就是核裂变；而氢这样的轻原子，其核子结合能甚至比一些重元素更大，某些轻核结合成质量较大的原子核时将能放出更多的结合能。

这就是核聚变。

但是，要让轻原子核之间结合并不容易。

所有的原子核都带正电，彼此之间受到被叫作“库仑力”

的静电力作用。

库仑力让原子核相互排斥，而且原子核之间的距离越近，斥力越强。

就像是将两块磁铁的同一极相对一样，彼此之间的斥力让原子核在日常环境下没有办法结合在一起。

在过去，只有像太阳那样的恒星，才会提供足够的压力和温度，将轻原子核压到相当靠近的程度。

有趣的是，质子同样带正电荷，但是多颗质子却可以在一个原子核中共存，似乎不会受到库仑力的影响。

之所以出现这种情况，是因为在原子核中还存在一种更强的、被称为“核力”

的吸引力。

核力能够发挥的距离有限，仅仅在原子核这样的微小尺度上才会表现出来。

当原子核之间距离越来越近时，库仑力所带来的斥力将会突然败给核力，两颗离得很近的原子核突然合体，华丽变身为一种新的元素，同时放出大量的能量和核子。

我们要利用的，就是这些能量。

传奇诞生

同等质量的轻元素聚变产生的能量比重元素裂变放出的能量大得多，而产生的辐射也少得多。

对环境保护的考虑也是人们努力发展核聚变技术的原因之一，虽然它还及不上对能源的需求。

化石能源的逐渐耗竭已经是人所共知的事实，而风能、太阳能等可再生能源在目前来看，也无法完全满足人们对能源的渴求。

核聚变发电是能源的明日之星。

宇宙中最轻的元素是氢，它的原子核只有一个质子。

它的两种同位素氘和氚，虽然也都只有一个质子，但是却分别拥有一个和两个中子。

核聚变主要依靠的就是这两种同位素。

在某些情况下，当两颗氘原子核结合时，将会变成一个氘原子核，放出一个质子和3.03兆电子伏特的能量；另一些情况下，将会变成有两个质子和一个中子的氦3原子核，放出一个中子和2.45兆电子伏特的能量。

而氘原子核和氚原子核结合，将会产生一个氦4原子核，放出一个中子以及14.06兆电子伏特的能量，而氘原子核和氦3原子核结合，会成为一个氦4原子核，放出一个质子和14.67兆电子伏特的能量。

我们现在谈到的核聚变，就是指这四种反应。

核聚变的原材料很容易找——地球上氘的含量并不算少，每一万个氢原子中就有一个是氘原子。

在最好的情况下，每升海水中的氘聚变能够放出的能量，相当于燃烧300升汽油；而一个百万千瓦的核聚变电厂，每年只需要600千克原料，但一个同样规模的火电厂，每年将需要210万吨燃料煤。

虽然氘在地球上并不存在，但是我们可以通过用中子轰击锂元素的方法来制造它。

氦3是目前最理想的核聚变原料，虽然在地球上也找不到，但是在我们举目可及之处却大量存在——在月球、土星和火星上，氦3的含量足够人们随心所欲地挥霍数十万年。

现在的我们，就像是站在四十大盗藏宝洞之前的阿里巴巴，唯一所缺乏的，就是一句开门的咒语。

幸好，我们已经快要猜到那句咒语，一段传奇，即将在眼前展开。

璀璨的双星

我们知道，在地球上看到的物质，绝大部分以三种状态存在：固态、液态和气态。

这三种状态会因为温度的不同而相互转化，当气体的温度再升高时，将会转变为一种新的物质形态：等离子态。