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《原子能的本质是什么》一文的补充说明

已有 3327 次阅读 2018-12-19 13:36 |系统分类:科普集锦


 本文的目的是对前面《原子能的本质是什么》一文做一些简单说明,并回复一些各方面朋友的质疑。


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我的(第一篇)科普草作《原子能的本质是什么》发在了科学网自己的博客上。当时的背景是我们集体反击中科院情报中心的期刊分区一事,我当时写了一篇文章,不知道放在什么地方合适,叶沿林老师刚在知识分子网写了一篇文章,所以经过简单讨论后我就选择了科学网;同一类的东西放在不同地方,扩大一些影响。我从未写过科普,科普文章属于大姑娘上花轿----头一遭。写这个文章的主要动机是大家说:核物理在科技界和社会上的影响不够,我们科普工作做得很一般,甚至不怎么好,不如其它领域。

 

毫无疑问,每一个人都同意科普工作的重要意义。如果问一个科技工作者,科普重要吗?所有人的回答一定是肯定的。我们核物理科普工作整体上不太成功,并且大家意识到了这一点,那么每一个核物理工作者都有责任把这个工作承担一些。我也是基于这个想法做了这个事情。这个冲动和我的个性有关,整体上我在学习、生活和工作中属于行动派,有事情不拖延。至于选择这个题目的理由,那是因为我认为这个题目熟悉而简单。说起熟悉,我在本科生课上就是这么讲的。

 

本科教学没有见到哪里这样思路讲授重核裂变过程获得核能的起源问题。除了我自己写的本科教材《电动力学教程》(20161月、科学出版社)以外,我没有见过其它任何地方有人在教材中把重核裂变的物理实质分析得很明白和很简单。也许因为平时大家不想这个事情,都是忙自己手上的事儿,所以忽略了这个第一眼看起来比较奇特的事实。我原来以为,外行对此不清楚;而学习核物理的同行们基本上都知道,原子核裂变过程释放的能量,每个核子平均 1 兆电子伏特左右。裂变释放能量的源泉是: 质子之间的静电能释放了平均每个核子1.5 兆电子伏特左右,同时裂变后变成两个中等质量的原子核后,两个原子核的表面积增加了,平均每个核子需要吸收大约 0.5 兆电子伏特左右,其它方面的能量变化很小,可以忽略。

 

我写这篇文章,是想对外说一点儿原子核的事情。材料熟悉,内容简单。因此,没有什么准备就开讲了。这几年我作报告,已有多次就是在黑板上不用 ppt 直接裸讲;我也经常鼓励我访问我的客人们这样做。这种即兴表演比那种拿着ppt 念来念去的要生动得多。当然对于演讲人也是一种考验。我那篇《核能的本质是什么》草作(连特别简单的公式都都没有排版)是很短的时间完成的,属于早上跑步时的腹稿和一个上午的打字和征求意见,没有想到能够在科学网首页连续两天上作为主标题推荐,在科学网的博客上也是如此;来自朋友们信息爆多,搞得我那几天就象是网红一样。

 

然而回头看,其实这篇文章还是没有成功。非核物理的许多读者们并没有理解那篇文章的意思。我原来一位学生的亲戚是西安交通大学机械方面毕业的,告诉那位学生说没有看懂我的这篇草作;我其实当时就有点儿晕。不过,让我晕倒的不是这件事,而是我周围的核物理工作者们。这是为什么呢?

 

我最早被质疑的是我的一位朋友,在一个只有几个人的很小微信群里面。这位朋友是国内核物理圈子里具有实干精神的、值得尊敬的人。我发表这个东西的当天,他在日本开会,他说没有仔细看,但是直觉告诉他,我的科普内容有问题。他是很直率的人,因为一般认为别人有问题会私下里说。所以,我也只好就在群里应战了。再后来这个战斗没有继续下去的必要了,因为我私下里给他提供了这方面更详细的材料,就是我的那个教科书相关的那几页。不过,我在应战之前,我们已经打了个赌:我输了给他一个大红包;他输了请我们群里几个人在北京吃饭。关于此事的是非,其它直接跟我联系的有几个人,应该说这几个人也属于核物理圈子内做得还不错的,当然很快就被我说明白了。也有人说自己原来不知道的,看了就明白了;这类同胞最多,有趣的是,这类同胞中许多不是学习核物理的。

 

最近几天,我在咱们核物理的群里看到,在核物理群里有人还在质疑这个东西,当然属于公开讨论和质疑了。虽然他们在公开场合里议论的,还是不公开点名了。不过,如果还是没有明白,继续质疑也不是多大的麻烦事情。

 

从这个意义上说,我那篇草作的成功之处,其实是科普了许多核物理的同行们,最佳读者是咱们核物理同行们;文章的短处在于,非核物理方面的朋友们,不少人也明白了其中的道理,但是其实并没有激起太多的质疑。因此,那篇草作还有许多改进的余地。因为这个原因,我认为我们的科普工作可做的事情实在太多了。

 

下面乘这个机会说一点儿相关的感受。可能是各种原因,大家都说:这样对,那样重要,但是轮到自己就变味儿了。现在网络上流行的各种非常巧妙的心灵鸡汤可谓多矣,但是真的把那些鸡汤的话长期付诸实施的并不多,所以看人还是看行动,毕竟知易行难、言易行难,难的还是行动。


关于科普就是这样子。大家都说重要,没有人说不重要,但是我们做得少了,做得不够。等着终于有人愿意花点儿时间做个科普,其实在同行里面对的不全部是鼓励,有些属于异样的反馈(不是科学方面!),这是很不正常的心态,这样做是不正确的。我们本来不是强势社区,如果再做一些负功,那就是错误的。我们处在核物理大家庭,我们希望这个大家庭好。这个大家庭好了,大家都好。这个家庭不行了,而自己一个人好了,那么也是极大的失败,甚至是耻辱。每一个人都应该这样想。我们大家都来做一点科普,大家相互支持和鼓励,到社会上去宣讲和传播核物理的精美、玄妙、奥秘。

 

从任意角度上,我们做科普都是正常的义务,也许有人意识到了,有人因为各种原因没有意识到;或者担心自己花太多精力不值得,甚至担心自己的科普被同行质疑或嘲笑。不管如何,我们还是应该做。为什么呢?我们花了社会给我们的资助,让我们按照自己的想法做事情,难道我们不应该让东家明白一点儿我们在做什么吗?!起码最基础的内容可以说一些。我们是少数处于这个位置的人,在科学前沿领域工作;而科普就象探险家回来之后讲述一些路上的见闻。

 

我补充一下:原子核之所以能够存在,是因为核力,没有核力就不可能有原子核;是核力把原子核束缚在一起;所以,没有核力当然也不会有什么裂变过程。核子和周围的核子的强相互作用主要是吸引力。

 

重核裂变前后核内的核子之间这些强相互作用的吸引力除了处于表面上的核子外,没有太大的变化;变化的是处于表面上的核子多了一些,这样表面能需要增加,其实这部分能量是很大的,大约 100 多兆电子伏特的消耗。而源泉在哪里呢?能量的东家是谁呢?是库仑能,重核分裂过程中,质子之间的静电排斥能大大降低了,释放的静电能一部分弥补给表面能,剩余的部分释放出来,就是重核裂变的原子能。

 

关于这方面我再多说一点儿。原子核的集体振动过程中,由球形核形变过程,变化的就是库仑能和表面能。哈密顿量中有动能项,可以写成形变坐标导数的平方,势能项核心部分正是库仑项和表面能项的和,都是形变参量的平方。涉及到原子核形变时表面能和库仑能拿出来处理,本来是核物理学工作者熟悉的,不过也可能是时间长了可能有些印象模糊了。


原子核除了重核裂变释放能量,轻核聚变也释放能量。轻核的聚变中,最典型的是氘核聚变成氦-4 (俗称 alpha 粒子),氘核束缚能很小,每个核子只有 1.1 兆电子伏特;而氦-4 结合能很大,单核子超过 7 兆电子伏特,所以氘核聚变过程释放的能量数值很大。这里释放的能量来源,属于如假包换的核能。

 

关于核能名称一事,我做如下简单说明。前面已经讨论比较清楚了,重核裂变过程从能量来源看,就是裂变过程中释放的质子静电排斥能量;核力在其中因为表面能的消耗,起的是相反的作用,即吸收了部分静电能量。但是人们把它称为核能,可不可以呢?当然也可以。为什么呢?裂变是核过程,该过程的实体是原子核;不是别的系统。从这个意义上,这个名称是合情合理、顺利成章。不过,真实起最重要作用的、释放的能量源泉是静电排斥能量。 即便如此,又怎么样呢?生活中有些人小名叫狗剩,难道这个人真的就必须是狗剩吗?在物理实践中就不要说了:磁感应强度和磁场强度被叫反了,正常塞曼效应和反常塞曼效应也是反着叫的,这么多年大家不是哈哈一笑就过来了吗?只是一个名字而已。我的草作《原子能的本质是什么》,其实也仅仅指出这个名字背后稍有不公平之处,不过那又何妨?

 

大家花点时间做科普,做核物理的科普。科普是教授们天然的责任。

 




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