三、核稳定性、核衰变、裂变的内在原因及核能量来源

 *核的不稳定性：

英明的幻数实验把核稳定的原子找到了，一直以来，利用幻数实验来探讨原子核稳定性。事实上的核物理现象：核裂变、核衰变都是核的不稳定造成的，如果逆向研讨核的不稳定性，就能解读造成核变发生的内在物理原因，是更有意义的研究。

从周期表可以看出：稳定性好的元素一般是原子量不大、全氦核的紧凑元素，如：周期表的前三行，原子量都只是原子序数的两倍，说明核内很少有小微结构，因而稳固。找到了核稳固的原理，就可以反思核动荡不稳的原因：核不稳定一般是大原子量的元素中、氦核的间隙中夹杂着以下两种小微结构造成的。

以上讨论确立了核内、核外关联，幻数元素的核内基本是氦核，每个氦核吸引着两个核外电子、必然是偶数。可是周期表有一半的原子序数是奇数，依据关联关系、这些奇数元素的核内必然存在着“单个”的正电荷。所以奇数元素的核外层必定有带正电荷的微结构-质中子（图二），可以带动一个核外电子。但是质中子自身不稳定，容易受到中子的侵扰，引发核内混乱，所以奇数元素一般不稳定，原子弹的裂变就是从铀235 核表面的质中子开始的。

    图二 核内微结构  氦核、质中子（只有一个电子）、双中子

原子量大的元素壳层多、半径大，较大的壳层球面上氦核间的距离较开、容易容纳较多的双中子，双中子能够改变元素原子质量、却不能改变原子序数，是产生同位素的内因。双中子虽然自身稳定、但是位置往往不对称，高速运转中容易甩脱造成核衰变，造成序数83以上的大质量元素的不稳定、生存期短。

探索了原子核的结构，接下来将从核原理上回答百年核物理的困惑：核衰变的原理、核半衰期为什么有巨大的时间差异？核裂变发生原理；爱因斯坦的质能公式正确吗？核内巨大能量来自哪里。

*核衰变：

核衰变发端于原子核的不稳定，核内存在着偏心的微结构、高速运转，离心力积累到一定程度微结构被甩出、解体，从核内发射出三种射线。（一般衰变只辐射β、γ两种射线）

依据微结构的偏心程度、不同元素的核衰变的过程快慢有很大的不同，人们用“半衰期”来记录、比较核衰变的快慢，半衰期是指放射性核素的总质量衰变掉一半所经历的时间。有的元素核衰变速度极快，例如钋的半衰期是 0.0018 秒；而铀238的半衰期却是 45亿年，差异如此之大，成为科学之谜。

现在，知道了核内的构成在核稳定性中的作用、核的不稳定原因，半衰期谜底一览无遗：如果核内没有小微结构、氦核位置对称性好、运转稳定，则基本不发生衰变、或半衰期很长；如果核内结构对称性很差、运转离心力很大，核衰变易于发生，且半衰期很短。如果原子自身很不稳定，衰变中连氦核都辐射出来（α衰变），原子快速解体，该元素很快就衰变消失。

最著名的核衰变是碳的同位素——碳14。我们以常规碳原子核与放射性碳14进行比较。常规碳核如图三左：有3 个氦核，一个在中心，两个氦核对称环绕中心旋转，原子核很稳定，没有衰变。碳的同位素-碳14多了一个双中子（图右下部），整个核系统就不稳定了。不稳定的双中子会先后逐个被甩出去，解体、形成辐射β、γ射线的核衰变。                                                

图三，碳12与碳14的原子核

碳 14 有准确的半衰期，5730 年。碳14是在强宇宙射线作用下所形成，所以大气中存在有微量、定比例的碳14，容易形成二氧化碳，被植物吸收、动物食入，导致活的生物体内都有微量、定比例的碳14。生物体死亡，碳14就不再补充，而原来体内的碳14在稳定地衰变、减少，所以依据动、植物体内残留的碳14的比例，就可以准确判断其死亡的年代，用此帮助人类考古断代。

如果用精确实验能够检测到生物体抛射的双中子或双中子的解析体-氢气，这也是质子不能游离存在，是自然界从未发现裸质子的原因。除了碳14，还有大量的核衰变都是核内结构不平衡、不稳定造成的，巨大的不平衡能够造成该元素不能存在，如：幻数中没有的原子量为8，24的元素；核内较大的不平衡造成半衰期很短，略微的不平衡造成半衰期很长。 

*核裂变：

核裂变，虽然人们制造出了威力强大的原子弹，可是对核裂变形成的原理和巨大能量来源还是不甚了解，也不能解读裂变中的细节。

核裂变的原材料一般是重核元素，原子量大，氦核多，有6个壳层，第4/5壳层所在球面的面积大，氦核之间有较大的的间隙，能够容纳较多的双中子。双中子、质中子数量不同构成同位素，甚至能改变材料性能（如：铀238稳定、铀235核爆炸材料）。

重核元素的原子量很大、核半径较大、微结构多，中心氦核引力有限，所以容易发生粒子逃逸-核衰变，也可能在中子造乱中发生核分离-核裂变。铀是典型的重核元素、铀235是人们熟知的原子弹的原料，现在对其核内微结构进行分析，探索铀的核裂变发生过程。

原子序数 92 的铀，说明核内有 92/2=46 个氦核，占用了其中184 个质子。常规 铀238, 238-184=54质子  54个质子可以构成27个双中子，均布在氦核间隙，该原子比较稳定。

裂变材料铀 235，235-184=51 个质子，构成 25 个双中子，在四五核层不能均匀分布，还有 1 个质中子运行在核表面。

核爆炸引信-外来中子进入铀 235原子核与质中子结合，抢位置、抢电子，质中子解体、形成了1+2，3个中子；中子可以在核内乱窜，分别进入双中子，再形成9个中子……如此拷贝的中子越来越多，中子在材料中抢位置，混乱造成铀235核内温度升高、体积膨胀，对外层氦核管控不力。

混乱中，外层个别氦核脱离原来位置，携邻近氦核分离，成为新的核心，收纳附近氦核，按1/4/9/4…排列，附近逃逸出来的双中子、中子依附其中空间，导致铀核解体、分解成为两个原子核，完成了核裂变，同时吸收核外电子，形成了新元素，一个铀 236 分裂成一个钡和一个氪。其核反应式如下：

铀 235 + 中子 —— 钡 + 氪 + 几个双中子+中子

U235 + n —— Ba + Kr + 几个双中子+中子

原子序数：92 = 56 + 36   氦核数：46 =28+18（氦核一个不少）

原子量：236 = 137.3(钡)+83.8（氪）+14.9（几个双中子，不知去向）

以上数据是查元素周期表计算的。因为裂变之后形成的两个原子核的个体都比较小，容纳不了原来铀核的双中子，铀 236裂变成钡和氪之后有将近15个质子的数量之差。去向是：铀分裂成钡和氪气之后，这多余的7+个双中子没有了归宿，排挤出了原子，双中子的外电子降低速率、辐射了能量，形成了β、γ射线；其中的质子就近俘获电子形成氢、结合成为了大气中的氢气。这个氢气可以在裂变精细实验中找到，符合能量守恒、物质不灭，绝不可能是无过程、无厘头的质量变能量。（在此，回答了文章开头的β、γ射线后内部的质子去向）

早年，人们不知道核内结构，对裂变后原子量的失去百思不解，爱因斯坦此时提出了质能方程，说失去的质量变成了能量。当时的学者正在对核爆炸巨大的能量百思不解，这时的方程既“解释”了能量的来源，又“找到”了质量的去向，当然是红极一时、人们顶礼膜拜。

文章在“解释、找到”打上引号，是不认可，质量的去向-上面的双中子逃逸还有点道理，核爆炸巨大的能量来自哪里？确实是难以思量。从百年前直到今天，物理学认为核内的质子、中子就像（图一）挤成一团，不曾考虑核内氦核巨大的质量在高速运动中所蕴含能量。于是，核裂变这巨大能量来自哪里？困惑、迷茫，导致质能公式大行其道，但是公式光速来历不明、没有质能转换的过程和逻辑，质能方程令全世界学者顶礼膜拜又深陷迷茫。 

*核内的能量来自哪里：

为此我们应该回到能量的源头，回忆我们学过能量有动能和势能、能量守恒，应该找到核内物质自带的能量，物理学基本的动能公式：E=1/2MV²，动能与速率的平方成正比、与运动体的质量成正比。这是个普适公式，核内能量应该是存储在核内大量的微结构-这些有巨大质量粒子及其以极高速率的运动之中。

核内氦核的运转能够牵动核外电子运转，所以微结构运转速率肯定是等于或高于核外电子（速率：运转次数 / 每秒），但是半径较小。微结构是以氦核为主体，一个氦核有 4 个质子、2 个电子，一个质子的质量是电子的 1836 倍，质量大、氦核速率极高；包围氦核的2 个电子更是速率超高。简略地算下来，一个氦核的动能超过一个核外电子的数万倍。

裂变前铀核半径大、层数多、其4/5/6层的氦核、双中子速率高，其速率V²远远高于裂变后的钡和氪的微结构动能之和，有巨大的能量差；此外，还有双中子解体电子高速运转辐射的γ射线；如此多的动能、辐射能在核爆炸时瞬间爆发…

由此看来，核内蕴含的巨大能量是氦核巨大的质量M、在极高速率V²运动中实实在在存在的物理学动能。核爆炸是在裂变中、微结构释放出来部分的核内能量，是能量转换、能量守恒，与光速无关。核能量是有根有据的物理学存在，完全符合能量转换、能量守恒定律，不是那个无根无底的质能公式。

从卢瑟福开始人类顽强的探索核内，用α粒子射向金箔、幻数实验用中子去轰击所有元素，两次投石问路，三种射线、一排幻数，事实是清楚的；运用物理学第一性原理，认真分析知道了核内由氦核、质中子、双中子三种微结构构成，幸运的发现了核内、核外结构的精确吸引，整个逻辑贯通、互洽。由核内微结构的布局和运动的不平衡，发生了核内运转的不稳定，由此破解了核衰变、核裂变的内在原因，对核内巨大能量来源有了数理依据，人类对大自然的认识又前进了一程。

                         2024/9/19    2024/10/6（修改） 2025/1/12(发表)

参考资料

[1]  王令隽，科学前沿（季刊）《致中国物理学界建议书》

[2]  晏成和  科学网博客  《原子是怎样构成的》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1097295.html

[3]  晏成和  科学网博客  《原子核内外的吸引结构》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1191486.html