揭秘：核聚变与核裂变是两个相反的过程，为什么都会释放出能量？

在过去的很长一段时间里，人类使用的都是一些比较“初级”的能量，例如化学能、风能、水能等等，直到进了20世纪之后，人类才逐渐解锁了一种更“高级”的能量——核能。

核能是一种蕴含在原子核里的能量，这些能量可以通过核聚变、核裂变、核衰变等核反应过程释放出来，由于核衰变释放的能量相对很少，因此人类能够大量获取核能的途径，其实是核聚变和核裂变。

简单来讲，核聚变就是两个或多个较轻的原子核聚合成较重的原子核，核裂变则是较重的原子核分裂成两个或多个较轻的原子核，可以看到，核聚变与核裂变是两个相反的过程，那么，这两个过程为什么都会释放出能量呢？下面我们就来揭秘一下。

我们知道，原子核是由质子和中子构成，为了方便描述，我们通常将这些构成原子核的粒子统称为核子。

已知的所有元素，除了氢原子核以外，其他元素的原子核都是由多个核子构成，这些核子通过彼此间的相互作用结合在一起，如果我们想要将它们分开，就需要一定的能量来克服它们之间的相互作用，这个能量就被称为原子核的“结合能”。

由于一个原子核中的核子数量越多，其“结合能”就越大，因此我们并不能直接用“结合能”来评估一个原子核中核子结合的紧密程度，那应该用什么呢？答案就是：“比结合能”。

所谓“比结合能”，就是指一个原子核的“结合能”与构成这个原子核的核子数量的比值，它表示的是原子核内所有核子的“结合能”的平均值，所以“比结合能”越大，原子核内核子结合的紧密程度就越高，原子核也就越稳定。

正如前文所言，一个原子核的“结合能”，是指将这个原子核内的核子分开所需要的能量，那么反过来讲，当多个孤立的核子结合成一个原子核的时候，当然就会释放出能量，而这个能量，其实就与这个原子核的“结合能”相等。

所以我们就可以得到这样一个结论：在原子核通过某种核反应生成了另外的原子核的过程中，如果新生成的原子核的“比结合能”增大了，那么此过程就会释放出能量。有了这个结论，我们就可以来看一张图（如下图所示）。

这张图的横坐标代表原子核内的核子数，纵坐标代表“比结合能”，可以看到，铁元素（Fe）的“比结合能”是最大的，为什么会这样呢？这主要与原子核内的两种力量的“较量”有关。

在已知的元素中，除了氢元素之外，其它元素的原子核都存在两个及两个以上的质子，在这些原子核内存在着两种力量，一种是强相互作用力，它的作用是将核子结合在一起，另一种则是质子与质子之间的电磁力，它会造成质子之间彼此排斥。

尽管强相互作用力的强度是电磁力的大约137倍，但它却有一个“弱点”，那就是它的作用距离太短，大约在10的负15次方至10的负10次方米之间，而电磁力却是长程力，这就意味着，原子核内质子之间的排斥力是可以叠加的。

由于原子序数的数值其实就是原子核内的质子数，因此随着原子序数的增加，原子核内质子之间的排斥力就会越来越大，进而不断地“削弱”强相互作用力所起的作用，当达到一个临界点时，原子序数的增加，就会使原子核中核子结合的紧密程度降低，其“比结合能”就会变小，而这个临界点就是铁元素，在这种情况下，铁元素就成了“比结合能”最大的元素。

所以从理论上来讲，原子序数比铁小的元素发生核聚变（原子序数增大）、或者原子序数比铁大的元素发生核裂变（原子序数减小），其新生成的原子核都有可能出现“比结合能”增大的情况，而这样的情况一旦出现，就会释放出能量。

由此可见，核聚变与核裂变其实都能释放能量，只不过它们释放出能量是有条件的，简单来讲就是，只有原子序数比铁小的元素发生核聚变，或者原子序数比铁大的元素发生核裂变时，才有可能会释放出能量。

看到这里可能有人会问了，不是说核聚变与核裂变释放的能量是因为质量亏损吗？怎么又变成了“比结合能”了呢？其实这不难解释。

根据大名鼎鼎的质能方程（E = mc^2），质量和能量其实是等价的，所以一个原子核的“比结合能”越大，其内部的核子平均质量也就越低，在原子核通过某种核反应生成了另外的原子核的过程中，如果新生成的原子核的“比结合能”增大了，其平均核子质量当然也就会降低，于是就出现了质量亏损。