第十二章 核物理
第一节 原子核的内部构成
核物理是干什么的？
核物理的研究对象是原子核。它是与原子物理严格区分的，原子物理将原子作为研究对象，核心目标是研究清楚原子内部电子和原子核的关系，主要是原子中的电子排布结构。电子的性质非常清晰，就是带有一个单位负电荷粒子，它的质量非常小，只有氢原子核质量的1/1800。如果用千克来表示它的质量，其质量大小为9.1×10-31kg。电子的自旋是1/2的约化普朗克常数。一个原子中负电荷的数量，就体现为一个原子中有多少个电子。
反观原子核的性质就不那么简单了。首先，原子核带正电荷，其电荷数等于原子的电子数。此外，不同原子核的大小、自旋和质量都有差异。由此可见，原子核的结构要比电子复杂得多。核物理就是研究原子核物理性质的学科。
原子核是否可以被拆分成更小的基本组成部分呢？如果可以，原子核由哪几种基本粒子组成？这几种粒子的性质又是怎样的？它们是如何在原子核那么小的空间内相互作用的？这些都是核物理要讨论的问题。我们在中学就学过：原子核是由质子和中子构成的。看似简单的一句话，其背后的发现过程却并不简单。
三种辐射
原子核有复杂的内部结构这一点，科学家们在20世纪初通过对放射性物质的实验研究就有一定认识了。
放射性（radioactivity）是指在一定情况下，原子核会释放出一些物质。后来我们才知道，这就是核辐射的过程。核辐射主要有三种：分别是α辐射、β辐射和γ辐射。
α辐射辐射出的物质是氦原子的原子核，氦原子的原子核带有两个正电荷，内包含两个质子和两个中子；β辐射辐射出的物质是电子，大量电子形成电子束；γ辐射辐射出的是频率超高的电磁波，其能量要比X射线高上百倍。
我们说的核污染，指的主要就是这三种辐射污染。这三种辐射能量高，对有机结构的损害非常大。它们可以打断生物细胞中的蛋白质结构，甚至破坏DNA链，从而导致基因变异。有些原子核在一定条件下可以释放出这些辐射。越来越多的放射性元素被发现，说明原子核的内部结构相当复杂。
质子的发现
最初，人们还没有发现原子核的存在，只是根据实验知道氢原子是最轻的原子。根据实验，可以测得所有种类的原子质量几乎都是氢原子质量的整数倍，因此，当时的主流意见认为：所有原子只不过是不同数量的氢原子的组成。直到卢瑟福通过散射实验证明了原子核的存在，并且根据约翰·汤姆逊对于电子的发现，我们知道电子的质量与原子核相比是微不足道的。所以，更加合理的说法应该是：所有不同种类的原子，其原子核的质量是氢原子核质量的整数倍。
到了20世纪20年代，卢瑟福又发现α粒子（即氦核）与氮（nitrogen）原子会发生剧烈反应产生氧原子，同时生成一个带正电，且质量和氢原子几乎一样的粒子。这就是质子被发现的过程。也就是说，氢原子的原子核其实就是一个质子。这种产生反应前没有的元素的反应属于核反应。原子呈电中性，不同原子的原子核所带的正电荷的数量等于其所含电子数。由此可以推论不同原子核带的正电荷不同，其质子数也不同。
质子这个名字是卢瑟福起的，他从希腊语中挑了一个词根，叫protos，意思是原初的、第一的，proton直译也有第一粒子的含义。粒子的英文命名规律通常是选择一个含义，加上后缀on以表示某种粒子。
但是事情没有那么简单。既然氢原子核就是一个质子，那么带有两个正电荷的氦原子的原子核是不是就有两个质子呢？如果真的是这样，氦原子核的质量应当是氢原子核质量的两倍。但事实并非如此：氦原子核的质量是氢原子核的四倍；碳原子核带6个正电荷，它的质量是氢原子核的12倍；氧原子核带8个正电荷，质量却是氢原子核的16倍。
重一点儿的原子核的质量并不随着它们的电量等倍增长，而几乎是以二倍的关系增长。也就是说，原子核当中似乎不仅仅有质子那么简单，还有其他的东西存在。
当时比较主流的观点认为：原子核中，除了质子以外还有电子。比如氦原子核，包含四个质子和两个电子。其中，两个电子的负电荷刚好抵消了两个质子的正电荷，余下的两个质子的正电荷使得原子核作为一个整体是带正电荷的。但是为什么只有两个电子可以进入原子核，然而原子核外面的电子却不进入原子核呢？这个问题直到中子被发现才被解决。
同位素
中子的发现可不是那么容易的。为什么呢？因为我们很难直接探测到中子。要探测到一个微观粒子，本质上是要让这个微观粒子跟实验测量仪器发生相互作用。而这种相互作用中，在早期能用的，几乎只有电磁相互作用。
电磁相互作用就是靠电磁场去影响带电粒子，一旦这个粒子不带电，就无法用电磁场捕捉到它。带电粒子还比较好办，因为一旦运动起来，它在磁场里会受到洛伦兹力的作用做圆周运动。我们可以用类似荧光粉这样的东西让带电粒子打上去发光，电子就是这么被找到的。
中子非常小，跟质子一般大小，质量比质子稍大一些，且不带电，因此要直接探测到中子非常困难。最初人们甚至意识不到中子的存在，认为原子核的质量过大是因为里面有电子中和了一部分质子的正电荷。
但是放射性同位素（radioactive isotope）的发现，让我们意识到原子核里有些不一样的东西。20世纪20年代，科学家们发现了很多放射性元素。这些放射性元素有几十种，原子质量各不相同，而且神奇的是，这些放射性元素可以分类，每一类当中的若干种放射性元素的化学性质完全相同，但质量不同。
元素周期表是按照化学性质的不同进行排布的，既然有多种放射性元素都有相同的化学性质，那它们在元素周期表上的位置应该是同一个。也就是元素周期表上每个位置总有一个元素是最稳定的，其他与之化学性质相同，但是放射性、质量不同的元素，叫作它的同位素。比如正常情况下，碳的相对原子质量（相对原子质量是原子质量与一个氢原子质量的比值）是12，但是也有碳的相对原子量是14。碳-14的化学性质和碳-12完全一样，但是碳-14有放射性，碳-12没有，它们两个互为同位素。
根据我们现有的知识，既然化学性质相同，那么它们的原子核的带电量应该是相等的。为什么呢？因为一种元素的化学性质完全由它原子内部的电子排布规律决定。所有的化学反应都是电子层的相互融合，不涉及原子核，否则就是核反应了。所以化学性质相同，意味着电子排布结构、原子核所带正电荷数相同。但是同位素的原子核的质量不一样，这就说明不同同位素的原子核，除了正电荷数相同之外，还有一些不同。
中子的发现
知道了同位素的概念，原子核里有质子以外的其他东西，这个暗示可以说是很明晰了。
1930年，英国科学家查德威克爵士（Sir James Chadwick）发现了中子。他是怎么发现的呢？我们知道，原子核里除了质子以外，还有 一些东西。像氦核只带2个正电荷，但是原子量为4。多出来的质子以外的东西，很明显是不带电的，它们就是查德威克发现的中子。
既然中子无法用电磁场测得，那么发现它们比较靠谱的办法就是碰撞。最早有一批德国科学家发现，如果让钋（pō，polonium）元素释放出的高能量的α粒子打在比较轻的原子，比如铍（pí，beryllium）原子上，就会产生一种新的辐射。钋是由居里夫妇于1898年发现的超高放射性元素，它的放射性比铀都要高许多倍。这种辐射物质不带电，于是当时科学家们觉得它可能是高能的γ射线。再用这种辐射物撞击一种石蜡，就会撞击出一系列的质子。查德威克设计了一系列的实验，证明这种从铍元素里反应出来的射线虽然不带电，但是绝非γ射线。这是因为γ射线毕竟没有那么大的动质量。
查德威克研究了石蜡里面被撞出来的质子的速度等情况，从而得出，铍元素里辐射出来的不是γ射线，它是一种不带电、质量比质子稍微重一点的新粒子，并命名它为中子。neutral在英语中是中性的意思，加后缀on，则表示它是一个粒子。
既然发现了中子，之前的问题也就迎刃而解了：为什么原子核的质量过大？是因为里面还有中子。因此，在20世纪30年代，原子核里的成分基本就清楚了：它由质子和中子构成，正电荷数等于质子数。根据一系列的实验和计算可知，基本上原子质量越大的元素，它的中子数就越多。
第二节 原子核如何保持稳定
原子核是由质子和中子构成的，它们的质量几乎相同。中子比质子略重一点儿，质子带一个单位的正电，中子不带电。既然知道了成分，接下来还要知道它们之间是如何相互作用的。
质子为什么会待在原子核里？
原子核很小，只占整个原子体积的几千亿分之一。换句话说，原子里基本都是空的。尽管原子核很小，但里面还可以容纳多个质子和中子。这些质子和中子也非常小，并且它们之间的距离非常近。这就立刻出现了一个巨大的问题：质子都是带正电的，但电荷之间的关系是同性相斥。氢原子还好，它里面就一个质子，但其他元素的原子核里质子都不止一个。质子和质子之间，应该有强到难以置信的排斥力。但事实上它们并没有因此而分崩离析，那就一定存在一个吸引力能够把质子绑在一起。这个力应该比电磁力还要强很多，否则原子核的结构不会那么稳固。如果这个吸引力大小只是跟电磁力差不多，刚好能把质子绑在原子核里，那么原子核应该随随便便做个实验就能被砸开。
这样一想，你就会明白为什么原子核里需要有中子的存在。如果原子核里都是质子，什么东西能提供强吸引力把质子绑在一块呢？通过研究我们发现：随着原子核中质子数的增多，中子数一定也是增多的，并且中子数会逐渐超过质子数。这个应该怎么理解呢？可以做一个简单的推理：当有两个质子时，需要什么东西把它们绑住？比如我需要一根弹簧连接两个质子，那我们可以把这根弹簧想象成中子，也就是两个质子和一个中子应该也可以形成一种原子核。事实证明存在一种叫氦-3的元素，这种元素在月球上很多，是完美的核反应材料。如果质子变成三个，三个质子间两两存在相互作用，为平衡这三组排斥作用就需要三个中子充当弹簧。这就是锂（Lithium）的同位素锂-6，它有三个质子和三个中子，是锂电池的原料。随着质子数增多，质子之间通过中子两两相互作用的数量就会超过质子的数量。
因此可以预见：随着质子数增多，越重的元素，中子数会越多地超过质子数。尤其是放射性元素，它们的中子数比质子数要多出很多。比如第92号元素——铀，它只有92个质子，但是中子数可以达到143—146个。所以多个质子在超强的电磁斥力下仍然在原子核里保持稳定，一定是因为有什么东西提供了比电磁力强很多的力。根据前面的分析，似乎中子就能做到这件事。
强相互作用（强力）
因为中子不带电，完全是中性的，所以中子提供吸引力这个推论仍然无法令人满意。那么到底是什么样的东西，或者说什么样的机制产生了这种引力呢？这也是日本物理学家汤川秀树所思考的问题。
1934年，汤川秀树发表了一篇论文。他认为，原子核之所以不会在质子排斥力的作用下分崩离析，依靠的是一种新的力。汤川将这种力命名为强力（后文中也称之为强相互作用），它的强度要比电磁力强100多倍，可以轻松地把质子锁在一起。但我们在宏观世界中是感受不到这种强力的，只能感受到万有引力和电磁力。既然强力那么强，那为什么在宏观世界中感受不到呢？汤川秀树认为：虽然强力的强度很强，但是它的作用距离非常短，其有效作用距离几乎就在原子核的范围之内。这就好像一个拳击手的拳头非常有力量，但是他能攻击的范围受制于其手臂的长短。电磁力和引力的大小与距离的平方成反比，这样的力可以作用到无穷远处，但是强力的作用力范围极小。汤川秀树也给出了强力大小随距离变化的公式——汤川势（Yukawa potential）。这个公式其实就是在电势能形式的基础上，再乘以一个衰减函数。它描述了强力对应的势能随距离变化的规律。
根据这个公式，我们能发现：当力的作用距离超出原子核的范围时，这个力就衰减殆尽了。所以，一旦质子被撞出原子核，几乎是无法被强力拽回去的。
根据汤川秀树给出的强力公式，我们可以计算出这个力对应的势能。就像我们在前面把中子比作弹簧，既然是弹簧，就有弹性势能，中子也会提供势能，汤川算出来的这个势能，叫汤川势。汤川秀树也因为这个成果，获得了1949年的诺贝尔物理学奖。
汤川秀树：介子（meson）
力有了，那么是什么东西提供了力呢？答案并非中子，它毕竟是一种中性粒子。于是汤川秀树预言：应当存在一种新的粒子提供了强力。这个猜测其实是很合逻辑的，我们知道，电磁力其实就是带电粒子间的相互作用力，那么强力当然也可以有自己对应的粒子。
对应于强力的粒子叫介子。我们知道，质子的质量是电子的1800倍左右，而经过汤川秀树的计算，介子的质量应该是质子的1/6左右。如果把质子、中子和电子统一做归类，电子这类质量的粒子叫轻子（lepton）；质子、中子这类质量的粒子叫重子（baryon）；介子是质量介于二者之间的粒子，所以被称为介子。
介子被认为是携带强力的粒子，它充当了中子和质子之间的黏合剂，让原子核的结构稳定。但是为什么科学家们早年在实验室里只发现了质子和中子，没有直接发现介子呢？因为介子的寿命（通常几纳秒，甚至几纳秒的十亿分之一左右）太短暂，不能够长时间地独立存在，很快就会衰变成其他粒子，这个时间尺度以当时的实验水平是测量不出来的。后来随着实验技术的进步，介子也被顺利找到。介子的种类并非只有一种，有的带电，有的不带电。
有了对介子和强力的认知，我们就理解了原子核的结构是如何形成的。它由质子和中子组成，其中介子提供强力，把质子和中子连接在一起。质子之间又通过中子的连接，间接地结合在一起，形成了原子核。
第三节 原子核的特性
了解了原子核的构造以后，接下来，我们要了解原子核有什么独特的性质，以及我们能用什么办法去研究这些性质。
与化学反应类比
先来看看什么是化学反应。
化学反应本质上是不同元素原子之间的反应。在中学里学过的定义是：凡是产生新物质的反应都是化学反应。比如碳和氧反应，生成了新的物质二氧化碳，这就是化学反应。
化学反应除了要产生新物质以外，还有一个条件，就是不能产生新的元素。还是以碳和氧的反应举例：碳和氧反应前后，都只有碳元素和氧元素，没有其他元素。也就是说，化学对于原子的研究，不会进入原子核层面。
所有在化学层面上产生新物质的反应，其本质是不同原子的电子之间的作用。如碳和氧结合，是因为碳原子和氧原子中的外层电子互相渗透到了对方的电子层结构里，形成了在化学上叫作共价键的东西。当我们研究单个碳原子和单个氧原子时，要理解其中电子的运动规律，只需要对一个原子核解薛定谔方程。但碳氧结合以后，它们共有的电子则要同时对碳原子核和氧原子核解薛定谔方程。解出来的这个双核系统的某些波函数，在化学上我们给了它一个统一的称谓——共价键。所以当我们说到某种元素的化学性质时，完全就是在讨论其原子中电子的排布规律，甚至只是最外层电子的排布规律。
类比于化学反应，核反应就是原子核之间的反应了。核反应也可以产生新物质，但这里的新物质指的是产生了反应前不存在的新的元素。比如氢的同位素氘（dāo，deuterium）和氚（chuān ，tritium）。氢原子核只有一个质子，没有中子；氘原子核有一个质子，一个中子；氚原子核有一个质子，两个中子。氘和氚可以结合成为一个氦原子并放出一个中子，这就是一种叫作核聚变的核反应。由于原子核的结构比原子的结构要稳定得多，并小得多，因此要发生核反应通常需要比较高的能量。
由此可见，点石成金这件事情，在核反应的层面并非不可能，我们要做的就是想办法把硅元素的原子核改造成金元素的原子核就可以了。但在17世纪，炼金术是做不到点石成金的，因为炼金术充其量是化学反应，还达不到核反应的等级。
α衰变
之前我们提过三种辐射：α辐射、β辐射和γ辐射，它们都属于核反应。
α辐射，是从原子核中辐射出α粒子，也就是氦核的核反应，它会辐射出带两个正电的氦原子的原子核。这背后的原因很简单，就是我们之前讲过的隧道效应。首先，我们要知道α粒子是非常稳定的。原子核里的结构并非是每个质子和每个中子之间以同样的强度连接在一起，而是以α粒子的双质子加上双中子构成一个局部最稳定的子单元，这些子单元再相互连接在一起。子单元之间的连接，是没有子单元内的连接强的，所以我们可以把α粒子单元当成一个整体作为研究对象。
根据前面的分析，虽然质子之间存在排斥力，但是被强相互作用限制住了。打个比方，这个过程就好像α粒子在一个坑里想跳出去。当然，这个“坑”在物理上，其实是能量的势阱（potential well）。α粒子受到电磁力让它有跳出去的趋势，但无奈强力太强，就好像这个坑很深，电磁力作为α粒子的弹跳力，无法克服强力的限制使α粒子跳出这个坑。但根据量子力学，我们可以知道，即便面对跳不出去的深坑，粒子在量子系统中也有一定的概率可以跳出去，这就是隧道效应。只不过坑越浅，发生隧道效应的概率越大。
α辐射在较重的原子中惯常发生。比较重的原子，强力给它做成的坑反而是比较浅的。我们可以这样理解：因为强力是个作用范围很小的力，因此越重的原子核，大小越大，强力能够束缚住它的范围有限，所以强力的束缚效果就越差。相反，电磁力是个长程力，不管原子核的大小与否，电磁力的排斥效果都差不多。
综上，当原子核越重、越大时，强力给α粒子单元塑造的坑就越浅，它就越容易发生隧道效应。这就不难理解为什么天然元素重到一定程度（现阶段发现到第92号的铀元素），再往上就没有了。就是因为太重了之后，强力对粒子的约束力太弱了，束缚不住α粒子单元。这样的话，自然就无法保持极重状态的原子核结构了。这就是α辐射的基本原理。发生α辐射的原子的质子数会减少两个，质量数会减少四个单位。可想而知，发生α辐射的元素就变成了其他元素。当然，人造元素可以到第118号，也就是118个质子。
β衰变：弱相互作用
比α辐射更加神奇的是β辐射，它的核反应过程叫β衰变（β decay）。β辐射有两种，分别是放出电子和正电子的辐射。β辐射的本质是可以让中子和质子之间互相转化。比如，中子发生β衰变放出一个电子、一个反中微子以及一个质子，这是标准的β辐射。反β衰变则是质子放出一个带正电的正电子、一个中微子以及一个中子，但是反β衰变是难以自发发生的。
β衰变的物理原理跟α衰变截然不同：α衰变是强力和电磁力相互博弈的结果；β衰变的发生则是因为一种不同的力，叫作弱相互作用力（weak force，后文中也称之为弱力）。弱相互作用力是一种非常弱的力，虽然比引力强一点，但是强度远远不及强力和电磁力。因此，弱相互作用力无法跟强力和电磁力抗衡。弱相互作用力的作用范围比强力还小，基本就在单个质子和中子以内。
讲到这里，我们还无法说清弱相互作用力的本质是什么，必须在第十三章《粒子物理》中讲到夸克模型时，才能彻底地解释弱相互作用力。弱相互作用力的概念最早是由“核物理之父”——意大利裔美国物理学家费米提出的。
γ辐射
γ辐射的机制比α和β辐射更容易解释。γ辐射是原子核里的质子和中子能量状态发生改变时发出的光子。由于原子核中各个核子所处的能量状态很高，对应的能量状态发生改变的差值就非常大，根据能量守恒其所发出的电磁波的能量就很高，因此光子频率极高，成为γ射线。γ辐射的过程不涉及原子核中质子数和中子数的变化，在α辐射和β辐射的过程中，反应后通常伴随着核子能量状态的变化，这种能量状态的变化往往伴随着γ辐射的产生。
总的来说，核反应的过程中，原子核中的质子数、中子数发生变化，也可能中子和质子之间发生了转变。无论是哪种变化，都会改变元素的种类。质子数的改变，会让一种元素变成另外一种元素，中子数的改变会产生同位素。除此之外，还有各种各样的微观粒子产生，如中微子、反中微子等。这些核反应往往伴随着α、β、γ三种辐射。当我们去研究一个反应时，它其实是一个黑箱。研究黑箱系统的主要方法是先通过对系统进行输入，然后看相应的输出是什么。这三种辐射就是原子核这个黑箱的输出信号。当然，辐射并非只有三种，还有中子辐射等。
我们用微观粒子轰击原子核或者核反应堆，这些手段都是对原子核进行信号输入。输入以后，看原子核在不同情况下会输出什么。比如辐射的能量、剂量，甚至空间角度，都可以给出更多关于原子核的信息。因此，对于衰变和核辐射现象的研究，是了解原子核性质的核心手段。
第四节 核裂变
原子能的发现和利用可以说是20世纪最重要的科技大飞跃之一。其中原子弹的发明虽然不能说是件好事，但客观上确实让第二次世界大战提前结束了。此外，核电站的发明给人类提供了一种全新、高效的能源获取的方式，但是它的隐患也不小。例如1986年苏联切尔诺贝利（Chernobyl）核电站的爆炸，以及2011年日本福岛（Fukushima）核电站的核泄漏事件，都是人类历史上的重大悲剧。
原子弹以及核电站释放能量的方式都来自同一种核反应——核裂变。
核裂变
核裂变的发现其实是个偶然。
20世纪30年代，几位德国科学家试图通过实验来人工合成各种元素，这可以说是新时代的炼金术。我们知道，原子核无非是由不同数量的质子和中子构成的。原则上只要在原子核里加入新的质子和中子，就能不断造出新的元素。这个过程本来挺顺利的，但当进行到第92号元素铀时，科学家们发现无论如何都加不进新的质子和中子，产生新元素了。与此同时，一种新的核反应——核裂变被发现了。因为德国科学家们发现，之所以到铀就没有办法再通过轰击原子核的方法使得更重的元素产生，是因为铀元素发生了核裂变，它分裂成了原子质量更小的元素。顾名思义，核裂变就是让原子核分裂的核反应。用中子轰击铀元素的原子核会产生几种分裂方式，常见的是分裂成钡（barium）和氪（krpton），并释放出三个中子，同时在分裂的过程中释放能量。这些能量是哪里来的呢？有两种解释，它们是等价的。
（1）这些能量是原子核的质子和中子之间结合能的释放。原子核的结合力是强相互作用力，这种力十分强大。介子提供的强力像一根弹簧一样，把质子和中子连在一起。由于强力非常强，可以想象这根弹簧应该非常紧。被充分压缩的弹簧里面储藏着弹性势能，原子核间靠强力连接的这根“弹簧”储存的能量，就是原子核内的结合能。这种结合能就是核能的来源。裂变的过程本质上是让重的原子分裂成轻的原子，这个过程可以理解为很多“强力弹簧”里蕴藏的巨大能量被释放了出来。
（2）基于爱因斯坦的狭义相对论。反应后物质的质量相较于反应前有所亏损，这部分亏损转化成了能量。由于E=mc2，只要亏损一点点质量就有巨大的能量转化。
链式反应（chain reaction）
核裂变是攫取原子核能量的方式。但是要制造一颗原子弹还需要其他条件，这个条件就是链式反应。当裂变发生时，重原子除了在中子的轰击下会分裂成若干个轻的原子并释放出能量以外，还会放出新的中子。这些新的中子再去轰击周围的重原子，然后发生新的核裂变，新的核裂变又会放出新的中子，这些新的中子会继续轰击新的重原子。就像多米诺骨牌一样，一路反应下去。这种反应模式像一根链条一环环相互连接，所以叫链式反应。只有发生链式，核裂变才能从整体上释放巨大的能量。
铀元素能用来制造原子弹，就是因为铀的同位素铀-235（铀-235是铀元素里中子数为143的放射性同位素）能够释放拥有足够能量的中子，开启链式反应。正常的铀元素——铀-238，释放的中子能量不够高，即便打到其他铀原子上，从概率上也无法进行整体的下一轮核裂变。所以原子弹的反应材料通常是铀-235。
临界质量
有了核裂变和链式反应，理论上原子弹就能爆炸了。但在实操层面上还需要达到一个条件——临界质量。因为存在反应概率的问题，一个铀-235原子裂变放出的中子未必全都能打到铀原子上，这取决于它周围的铀原子是不是足够多。因此，要完成完整的爆炸过程，必须要有足够多的铀，这就是临界质量。
原子弹的爆炸原理其实相对简单：在原子弹中放置若干块质量未达到临界质量的铀-235，爆炸点火的过程就是把这些未达到临界质量的铀合并在一起。一旦达到临界质量，原子弹就被引爆了。
中子减速剂（neutronmoderator）
实际操作上，我们还可以通过技术手段增加中子与铀原子的反应概率，这就是中子减速剂的功效。通常来说，核裂变产生的中子速度极快。尽管速度快是好事，能量足够高的中子才能够把原子核打破诱发新的核裂变，但与此同时也存在一个问题：速度越快越难捕捉，这会降低中子击中铀原子的概率，因此需要减速剂。
图12-1 原子弹爆炸
减速剂通常是石墨和重水。重水 （D2O） 就是把水分子里的氢元素换成它的同位素氘，氘有一个质子和一个中子。这些物质放在铀里面，就可以充当中子的减速剂。减速剂的效果是让反应的中子速度减慢，从而增加击中率，但同时不会把中子的速度降到使裂变能够发生的速度以下。
核裂变释放的能量是巨大的，但是对环境造成的污染也很严重。比如被原子弹污染过的地区，其辐射造成的影响百余年都难以消散。核聚变是一种更加清洁的核能，并且它释放能量的效率更高。
第五节 核聚变
我们在“极大篇”第五章《宇宙里有什么》中说过：恒星之所以能发光发热，靠的是核聚变。核聚变同时也是氢弹爆炸的原理。
核聚变
核聚变就是由原子质量比较小的元素聚合成原子质量相对比较大的元素，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。
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。
（1）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。
（2）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。
点火温度
实际操作中要让核聚变发生，氘和氚必须以非常高的能量相碰撞。这是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，必须要有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。温度的高低本质上表征的是微观粒子运动动能的大小，温度越高，意味着这些粒子的运动速度越快。所以从概率上看，高温下粒子发生核聚变反应的概率会增大，从而形成大规模的聚变反应。核聚变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。
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摄氏度。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摄氏度。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。
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，最核心的原因就是能量最低原理。
任何一个反应会发生，必然是因为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。在元素周期表的中段，存在一种最稳定的元素——铁，它的原子核的单位质量对应的能量最低。所以，其他元素原则上都可以通过裂变或者聚变的方式变成铁元素。
可控核聚变
科学家一直致力于用最好的方式来获得最多的能量，相比于核裂变，核聚变是更加理想的获得能量的方式。
首先，氢弹比原子弹的能量要大得多。这是因为同等能量的释放，核聚变需要的反应物从质量上来看更少，而且核聚变的反应材料很好获取（核聚变的原料，从海水中就可以大量提取），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（自然界广泛含有的铀元素是铀-238，它难以开启链式反应，铀-235作为铀-238的同位素，在铀矿中的含量极少，不到1%）。
其次，裂变反应后产生的环境污染比核聚变要严重得多。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。
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，使其稳定地释放能量，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摄氏度的高温，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。但是要把一亿摄氏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摄氏度，也没有任何材料可以承受这么高的温度。
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作托克马克（Tokamak）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且大致垂直于“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，不与其他物体产生实质接触。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，至今还没有质的飞跃。
不论是恒星中的核聚变、氢弹爆炸的核聚变，还是托克马克装置中的核聚变，都是热核聚变，通过高温使反应粒子的速度够快，从而达到核聚变的临界点。但核聚变发生的核心是要粒子运动速度足够快，高温不过是使粒子运动速度足够快的手段。原则上，我们只要能够使粒子运动速度足够快，就可以发生核聚变，因此还有另外一种人工核聚变的思想叫“冷核聚变”，顾名思义，就是不借助高温，依然可以使粒子加速到临界点，譬如使用粒子加速器。冷核聚变并非主流的可控核聚变的方案，甚至大部分科学家认为它从操作层面上并不可行。值得一提的是，在很多科幻作品中，冷核聚变是一种常见技术，如漫威的“钢铁侠”（Ironman）系列，钢铁侠胸口的方舟反应炉应当就是一种理想的冷核聚变技术。
图12-2 托克马克实验装置
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，主要是通过解薛定谔方程获得的波函数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，那就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。在粒子物理中，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粒子，我们将用更加广义的方式去研究它们。