第1部分 基本概念
在核能的研究与应用中，不仅要从微观角度分析组成物质单个粒子的性质，还要考虑物质的宏观性质。粒子的微观性质包括原子和核子的质量、它们的有效半径和一定体积内的粒子数等，而大量粒子的集群行为则表现出如密度、电荷密度、电导率、热导率、弹性常量等宏观性质。人们一直在探寻物质微观性质和宏观性质之间的联系。
鉴于自然界中所有过程都包含粒子间的相互作用，因此有必要深入理解粒子相互作用的基本物理理论和定律。本书第 1部分将详细说明核能的概念，解释原子和原子核的结构模型，论述放射性、核反应的基本原理及辐射产生的方式，并详细介绍两种重要的核反应过程：裂变和聚变。
第1章 能量
本章目录
1.1力和能量 3
1.2测量单位 5
1.3 热能 6
1.4 辐射能 8
1.5物质和能量的统一 10
1.6能源与世界 11
1.7 小结 11
1.8 习题 12
1.9上机练习 13
参考文献 13
延伸阅读 13
物质世界是由许多有着不同化学、力学和电学性质的物质组成。它们在自然界中存在多种物理状态 ——常见的有固态、液态和气态，还有特殊的等离子体态等。一般认为物质的状态和性质的多样性取决于以下两点：①物质世界存在的 100多种元素；②构成物质的原子间束缚力的强弱。
对上述两点需要进一步说明的是，元素之间的差异是由基本粒子 (电子、质子、中子)的数量和排列方式不同造成的；从原子和核子的角度看，元素的结构由内部约束力和能量决定。
1.1 力和能量
基本的力有以下几种：重力、电场力、电磁力、核相互作用力等。这几种力的共同特性是都可以做功。不同形式的能量通过做功可以被贮存、释放、转化、转移和使用，这些过程普遍发生在自然界和人造的装置中。依据两种基本实体 (粒子和能量 )解释各种做功过程更加直观，甚至这两种基本实体之间的差别也可以不用考虑，这是由于物质可以转化为能量，能量也可以转化为物质。
在研究核能是如何释放和转化为热能和电能之前，先学习几条物理定律。如果一个持续的力 F推动一个物体移动了距离 s，那么所做的功为 W=Fs。举一个简单的例子，将一本书从地上捡起放到桌子上，人的肌肉提供的力量克服了书的重力将书捡起。当对物体做功时，物体拥有了一定的能量 (势能)，当书掉落到地上时，书也将对外做功。将力 F作用在质量为 m的物体上，根据牛顿定律 F=ma，这时物体有了加速度。从静止开始运动，使物体获得速度 v，在任一瞬时，物体的动能为
(1.1)
对于在重力作用下下落的物体，可以发现物体在势能减少的同时动能在增加，但是两种能量的和是一个定值。这也是能量守恒定律的一个示例。接下来将此定律应用到一个实际的场景进行计算。
众所周知，利用水的势能发电是获取电能的一种常用方式。在水电站中，河水被大坝收集，然后从高度 h(可认为是坝顶的高度 )落下，水的势能因而被转变为动能。流动的水被引导去撞击水轮机的叶片，进而使发电机工作。
当质量为 m的物体被放置在坝顶上时，其势能为 EP=Fh，重力为 F=mg，其中 g为重力加速度。因而，势能的表达式为
(1.2)
例 1.1求解从 50m高度的水坝落下的水的速度。忽略摩擦损失的影响，势能在水坝的底部全部转换为动能，即 EP=EK 。考虑到地球的重力加速度 1为 g0=9.81m/s2 ，水的速度为
能量根据作用力类型的不同呈现出多种形式。水电站的水受到重力的作用，拥有一定的重力势能，这些能量被转化成涡轮机的机械能，进而被发电机转化成电能。发电机与用电终端存在电势差，电势差提供了电子在供电系统中传输的动力，然后电能在供电系统中被转化成发动机的机械能、灯泡中的光能、电加热房屋中的热能、蓄电池中的化学能等。
汽车中也存在着多种能量转换的过程。汽油的燃烧以热能的形式释放了燃料中的化学能，其中的一部分能量转化成了机械能，剩下的一部分能量通过排气系统转移到了大气中。汽车中的交流发电机给汽车的控制和照明系统提供电能。其中，热能转化为其他形式的能量应遵循两条定律：热力学第一定律和第二定律。第一定律说明能量是守恒的；第二定律说明热能转化为功的效率是有限的。
能量可以根据其来源进行分类。前文已经列举了两种能量的例子：水的势能和汽油(从石油中提纯出来的燃料是一种主要的化石燃料 )的燃烧。另外，还有太阳能、风能、潮汐能、地热能和核能等。
1.2 测量单位
基于各种目的，现在广泛使用的基本测量单位是公制单位，更准确地说是国际单位制 (Systeme Internationale，SI)。在 SI中(见本章参考文献中的 NIST)，质量的基本单位是千克 (kg)，长度的基本单位是米 (m)，时间的基本单位是秒 (s)，物质的量的基本单位是摩尔 (mol)，电流的基本单位是安培 (A)，热力学温度的基本单位是开尔文 (K)，发光强度的基本单位是坎德拉 (cd)。表 1.1给出了部分 SI基本单位和导出单位。
表 1.1 SI基本单位和导出单位
续表
另外，升 (L)和吨(t)也是比较常用的单位 (1L=10.3m3；1t=1000kg)。为了方便理解早期文献，需要知道其他单位制的知识。附录 A中的表 A.3给出了英制单位与国际单位制的换算关系。
在美国，从英制单位转换到国际单位的进程比预想慢了很多。为了让读者更好地理解本书，两种单位均在本书中给出。例如，厘米(centimeter，cm)、靶恩(barn，b)、居里 (curie，Ci)和雷姆(roentgen equivalent man，rem)等均在本书中大量使用。
为了方便在分子、原子和原子核尺度上分析力与能量的关系，需使用另外一种能量单位：电子伏特 (eV)。该单位起源于电子能量的定义：一个电子 (电荷为 1.602. 10.19C)在 1V的电势下加速所获得的动能为 1eV。因为在 1V的电势下对 1C的电荷做功为 1J，所以 1eV=1.602 . 10.19J。使用 eV便于描述原子的能量，如从氢原子中移出一个电子需要 13.6eV能量。然而，当涉及原子核作用力时，因其作用力比原子间的作用力大得多，可能要用兆电子伏特 (MeV)作为能量单位。例如，把氘中的中子与质子分离所需的能量约为 2.2MeV(2.2. 106eV)。
1.3 热能
热能对人们的生存有着特殊的重要意义。易获得的热能形式包括太阳能、常规燃料的燃烧、核裂变过程。对温度昀直接的概念是接触到物体温度测量装置 (如温度计)的示数。如果有能量提供给物体，那么物体温度就会上升 (如太阳光能让空气的温度升高 )。每种物质对于能量的响应根据其分子或者原子结构的不同而不同，这种特征可以用比热容 c宏观描述。如果能量 Q传递给一个物质 (但并没有使物质的状态发生改变 )，物质p上升的温度△T满足以下公式：
Q=mc△T (1.3)
例 1.2恒压下，在 15℃和一个大气压下的水的比热容 cp=4.186J/(g ℃)，因此将 1g水的温度升高 1℃所需的能量为 4.186J。
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