原子和核子

公元前的古希臘人有一個概念：將一些日常物質不斷地一分為二，物質會變得越來越細小，直至不能再分割，這些物質被稱為原子。到了上世紀初期，科學家基於這個概念發現原子的結構。他們理解到原子擁有一個核子，核子由一群帶有正電荷的粒子，以及沒有電荷的粒子組成；核子外圍亦有一群帶負電荷的粒子，這三種粒子共同組成一顆原子。

核子所帶有的正電荷粒子數目，決定了物質的類別。即是說：氫、氧、鋁、銅、鐵都是不同的物質，它們的原子核各自包含獨有數目的正電荷粒子。

那麼原子有多大？

我們認知的原子是微小至不可以再分割，那麼每顆原子一定是很細小。正如上文提到，不同物質的原子核各自包含獨有數目的正電荷粒子，那麼我們可以試想，原子核內的正電荷粒子數目不一，原子的大小也應該不一樣。簡單地說，一顆原子的直徑約為50至500皮米之間。不過，一皮米有多大？一皮米其實很小，只有一米的萬億分之一。有一個比喻是：地球相對一個蘋果的大小，約等於一個蘋果相對一顆原子的大小。

我們使用高科技時，都可能接觸過納米的概念。對於原子物理，一納米可以說是很大，相等於1,000皮米。

那麼核子有多大？

既然原子如此細小，那麼組成它的各種粒子應該會更微細。科學家推算，組成原子核的粒子的直徑約小於1/1,000皮米，環繞著原子核的帶負電荷粒子的直徑更小，相信不超過百萬分之一皮米。

目前已知最大的核子，擁有不足300顆粒子。這種核子都只有數千分之一皮米的大小。因此核子的直徑約為原子直徑的萬分之一。核子在原子中所佔的空間，好比在一顆在足球場裡的黃豆。也就是說，原子內絕大部分空間其實是真正的空間。

核子可以釋放多少能量？

強大的力量把核子裡的粒子粘合起來。不過，大自然有極少數的物質，在合適的條件時可以分裂成細小的物質。鈾就是我們常用來分裂的物質。

鈾在核子分裂時會釋放能量。根據愛恩斯坦的公式E=mc2，這種能量的大小，相當於核子分裂時所減少的物質乘以在真空的光速兩次。因為在真空的光速是一個很大的數字，接近每秒三十萬公里，所以減少少量物質已經足夠產生龐大能量。

每顆鈾的核子分裂時可以釋放的能量足足有二萬萬個電子伏特。但這個數字是否代表一股龐大的能量呢？其實，一個電子伏特只代表將一顆極微小的帶負電荷粒子在經過一個伏特的電壓後所增加的能量，這是很微小的能量單位。二萬萬個電子伏特的能量只足夠為10微克，亦即十萬分之一克的水，升溫百萬分之一攝氏度。別說人類，甚至蚊子都不會感覺到這分微小能量。

不過，原子實在極為細小，針尖已有足夠空間累積二千萬萬顆鈾原子。因此少量的鈾已擁有大量鈾原子，足以產生龐大能量。

以香港一個四口家庭為例，一般每月使用約四百度電力。一顆在天然開採，重0.012千克的鈾，約相當一枚3A電池的重量，當中提煉出來的裂變材料可供應這個家庭一個月的用電量。如果以燃燒化石燃料來提供同等電力，則需要約150千克的煤或50千克的天然氣。

為甚麽鈾原子的分裂可以比燃燒同等化石燃料產生多千倍、萬倍的能量？因為兩者採用不同原理：前者是更改核子裡的粒子組合，而後者只不過是改變原子外圍一些負電荷粒子的組合。與燃燒化石燃料相比，核子分裂只需微量物質就足以產生同等能量，因此使用後的殘餘物質亦少，處理所需的的技術難度也相對較低。

本文由香港工程師學會核子分部提供