原子能又稱“核能”。即原子核發(fā)生變化時(shí)釋放的能量，如重核裂變和輕核聚變時(shí)所釋放的巨大能量。放射性同位素放出的射線在醫(yī)療衛(wèi)生、食品保鮮等方面的應(yīng)用也是原子能應(yīng)用的重要方面。

原子能是指原子核里的核子——中子或質(zhì)子，重新分配和組合時(shí)釋放出來的能量，符合愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2。公式中的E指能量，m指質(zhì)量，c指光速。由于光速十分快，所以僅僅需要一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量，就會(huì)產(chǎn)生龐大的能量。

原子能目前主要有兩種，聚變能與裂變能。當(dāng)今的核燃料主要是鈾，1公斤鈾原子核全部裂變釋放出來的能量約等于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)所放出的化學(xué)能。

地球上的鈾主要分為鈾-238和鈾-235，占比分別為99.7%和0.3%，鈾的儲(chǔ)量很低，適合開采的總量約為100萬噸，且分布極不均勻。按照世界上目前的消耗來看，幾十年就可以消耗完。但是在海洋這個(gè)巨大的寶庫中，含有極為豐富的鈾資源。

據(jù)估算，海洋中含鈾達(dá)45億噸，是陸地總儲(chǔ)量的幾千倍，但是海水中的鈾含量是很低的，1000噸的海水中含有3克鈾，也就是說，1千克的鈾，需要處理33萬多噸的海水。值得一提是原子能同石油一樣是不可再生能源，它們的不同在于原子能是清潔能源。

質(zhì)子一類的粒子可以加速到極高能量，因?yàn)檫@些粒子又小又輕。今天，加速一輛車或太空飛船至接近光速還是不可能的事，因?yàn)榧铀僖粋€(gè)物體所需能量會(huì)隨其質(zhì)量增加。但是從另一個(gè)角度說，幾個(gè)粒子內(nèi)也蘊(yùn)含著巨大的能量，這就是原子能。原子能的基礎(chǔ)稱為核能，大小同樣和質(zhì)量有關(guān)，但是和加速一定質(zhì)量物體所需能量的概念完全不同。

德裔美國(guó)理論物理學(xué)家愛因斯坦作出過許多革命性的發(fā)現(xiàn)。其中之一就是他最著名的質(zhì)能方程：E=mc2，式中：E表示能量;m表示質(zhì)量，c表示真空中的光速。愛因斯坦的理論認(rèn)為，物體含有靜止能量，其值可從上述方程得到。

這是一種具有革命性的想法，因?yàn)檫@種能量既不依賴于運(yùn)動(dòng)，也和任何我們熟知的機(jī)械能或化學(xué)能無關(guān)，而僅僅基于物質(zhì)質(zhì)量。這個(gè)方程表示物質(zhì)和質(zhì)量是可以互換的，且交換系數(shù)相當(dāng)大。光速值已經(jīng)很大了，為30萬千米/秒，在方程中將光速平方，使系數(shù)大得驚人。

因此質(zhì)量為m的物體所包含的能量E，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，將等于mc2，是一股十分巨大的能量。這個(gè)方程被證明是正確的，為核能的發(fā)展提供了舞臺(tái)。核能既用于有益的核電反應(yīng)堆，也用于毀滅性的核武器。

與愛因斯坦同時(shí)的法國(guó)物理學(xué)家貝克勒耳，在1896年發(fā)現(xiàn)了放射性現(xiàn)象，波蘭科學(xué)家瑪麗亞·居里與丈夫比埃爾·居里在這一領(lǐng)域進(jìn)行了更為深入的研究。放射性是指某些特定原子核發(fā)生衰變時(shí)放出能量的現(xiàn)象。例如，

鈾元素的原子核能發(fā)射α粒子，同時(shí)自身衰變?yōu)殁Q元素的原子核(放射性是盧瑟福和其他科學(xué)家實(shí)驗(yàn)所用α粒子的來源)。粒子發(fā)射是自發(fā)產(chǎn)生的，不需任何幫助或激發(fā)就會(huì)出現(xiàn)，出現(xiàn)的時(shí)間間隔是隨機(jī)的。1903年，上述3位科學(xué)家分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，居里夫人憑借其對(duì)放射性化合物的進(jìn)一步研究，于1911年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

不久之后，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了裂變現(xiàn)象：一個(gè)原子核分裂為其他幾個(gè)更小的原子核。裂變與放射性一樣，也伴隨著能量釋放。但是裂變通常不是自發(fā)發(fā)生的，例如鈾元素的原子核可以分裂為兩個(gè)小一些的部分(鋇原子和氡原子)，但這僅在吸收一個(gè)中子的情況下發(fā)生。

在這一過程中，一小部分質(zhì)量“消失”了：反應(yīng)產(chǎn)物鋇、氡及幾個(gè)中子的總質(zhì)量，比反應(yīng)前鈾及其吸收的中子的總質(zhì)量略小。這一部分質(zhì)量變成了能量，能量大小由愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2確定。僅有一小部分(約0.1%)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，但由于方程中c2一項(xiàng)，得到的能量仍然是驚人的。

這些發(fā)現(xiàn)促成了原子彈的發(fā)明，第二次世界大戰(zhàn)期間由在美國(guó)工作的科學(xué)家秘密研制。這些原子彈用鈾或钚的特定同位素制造。一種元素的所有原子其核內(nèi)含有的質(zhì)子數(shù)都是相同的，但是中子數(shù)目在一些原子內(nèi)是可變的，一種元素的同位素含有相同數(shù)量的質(zhì)子和不同數(shù)量的中子。

原子核內(nèi)的中子數(shù)往往會(huì)影響那些放射性元素放射性的大小，以及核裂變的難易程度。原子彈制造者當(dāng)然會(huì)選用最容易發(fā)生裂變的同位素。原子彈內(nèi)會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，大量原子核同時(shí)裂變。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是由于最初中子引發(fā)幾個(gè)原子核裂變，裂變生成更多中子(還有其他產(chǎn)物)繼續(xù)引起其他原子核裂變使反應(yīng)連鎖進(jìn)行下去。

到目前為止，人類在戰(zhàn)爭(zhēng)中僅使用過兩枚原子彈，均為第二次世界大戰(zhàn)期間，都是美國(guó)向日本投擲的。像人們期待的那樣，原子彈終止了這場(chǎng)罪惡的戰(zhàn)爭(zhēng)，但是原子彈引起的死亡和破壞同樣非?？膳?。第一枚原子彈于1945年8月6日投擲于日本廣島，其能量相當(dāng)于1.3萬噸烈性炸藥三硝基甲苯(TNT)，導(dǎo)致約10萬人死亡。另一枚原子彈于1945年8月9日投擲于日本長(zhǎng)崎，破壞程度相當(dāng)。

使用原子彈的結(jié)果不僅僅是爆炸的破壞，還有放射性物質(zhì)的擴(kuò)散。其中許多放射性同位素以電離輻射的形式發(fā)出能量。電離輻射是有害的，前文曾提到過，是源于其對(duì)細(xì)胞分子的破壞。DNA分子尤其脆弱，對(duì)DNA分子的破壞將導(dǎo)致基因突變，從而引起人及其他生物死亡或不可恢復(fù)的永久性損傷。

早期研究放射性物質(zhì)的物理學(xué)家最初并沒有意識(shí)到這種損害，例如居里夫人，她很可能就死于由于長(zhǎng)期暴露于放射性物質(zhì)所引發(fā)的疾病。

1、核電

提到原子能，核電站絕對(duì)是人們第一個(gè)想到的和平利用方式。自1954年蘇聯(lián)在莫斯科西南奧布寧克斯建成第一個(gè)核電站以來，核電成為了人類能源來源的重要組成部分。

據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)在2011年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球運(yùn)行中的核電機(jī)組共計(jì)442個(gè)，興建中的核電機(jī)組65個(gè)，核電發(fā)電總量占全球電量的16%。核電占據(jù)法國(guó)發(fā)電總量的80%，是法國(guó)電力的主要來源。

據(jù)2016年數(shù)據(jù)，我國(guó)目前運(yùn)行中的核電機(jī)組共計(jì)34臺(tái)，數(shù)量上僅次于美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯，位列全球第四;在建核電機(jī)組20臺(tái)，穩(wěn)居世界首位，占全球在建核電機(jī)組數(shù)量的40%，是世界上核電發(fā)展最快的國(guó)家。

核電站的原理基本與火力發(fā)電站相同，核電站以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應(yīng)堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，使核能轉(zhuǎn)變成熱能來加熱水產(chǎn)生蒸汽。利用蒸汽通過管路進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，其發(fā)電機(jī)組和火力發(fā)電站大同小異，奧妙全在核反應(yīng)堆中。

核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽刂屏炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，主要分為四類：沸水堆、壓水堆、重水堆和快堆。其中快堆與前三種不同，前三種對(duì)核燃料鈾的利用率只有1%-2%，快堆可以達(dá)到60%-70%，但快堆的技術(shù)相較于前三種還不完善。

核電的優(yōu)點(diǎn)有很多，如不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體、能量密度極高、燃料體積小、運(yùn)輸儲(chǔ)存都比較方便等。1000百萬瓦的核電站一年僅需30噸的鈾燃料，一航次的飛機(jī)或是一次汽車就可以運(yùn)送。如果是燒煤發(fā)電站，一年所需原煤大概300萬-400萬噸，需列車2760輛。

但是，我們也需要正視核電的缺點(diǎn)：核電站的熱效率低，相較于傳統(tǒng)電廠，將有更多的廢熱直接排放進(jìn)大氣中;核電站的核燃料成本低，但是前期成本十分高;最關(guān)鍵的，核廢料尤其是高放射性的核廢料的處理一直是個(gè)很大很重要的國(guó)際性難題，運(yùn)行中如果產(chǎn)生了事故，造成核泄漏，將對(duì)生態(tài)環(huán)境和民眾造成極大的威脅。

歷史上曾有三次比較重大的核事故，分別是三里島事故、切爾諾貝利核電站爆炸和福島核危機(jī)，其中切爾諾貝利事故是歷史上最大的核事故。

2、核動(dòng)力機(jī)械

除了大家熟知的核動(dòng)力航母、核動(dòng)力潛艇這種軍事領(lǐng)域核動(dòng)力的應(yīng)用，其他領(lǐng)域內(nèi)核動(dòng)力也發(fā)揮了很大的作用。

破冰船是目前裝備核動(dòng)力比較多的非軍用艦船?！氨睒O”(Arktika)是世界上最大的破冰船，長(zhǎng)134米，寬30米，排水量23000噸，安裝兩座反應(yīng)堆。Arktika是第1艘達(dá)到北極極點(diǎn)的水上艦船。

核動(dòng)力商船從上世紀(jì)60年代美國(guó)的Savannab建成以來，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，僅俄羅斯的破冰集裝箱船Sevmorput獲得成功。與同尺寸的常規(guī)動(dòng)力的商船相比，載貨量極低，船員數(shù)量卻高了2倍，加上培訓(xùn)船員的費(fèi)用，使用起來是不經(jīng)濟(jì)的。

核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械的原理基本與用于發(fā)電的原理相同，區(qū)別只是在于核電站的蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組，核動(dòng)力艦船是帶動(dòng)齒輪箱，傳動(dòng)到螺旋槳。提到蒸汽輪機(jī)，有人戲稱人類對(duì)原子能的利用還停留在用它燒開水的地步。但這是有原因的，水是反應(yīng)堆良好的慢化劑和冷卻劑，也是人類使用最多的熱機(jī)工質(zhì)之一，自然大部分熱中子堆就變成燒開水的核鍋爐了。

3、生產(chǎn)放射性同位素

一百年前天然放射性的發(fā)現(xiàn)，引起了人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)和知識(shí)更新的一場(chǎng)偉大變革。放射性同位素的主要來源是核反應(yīng)堆和加速器。

目前世界上的反應(yīng)堆中，大概有100多個(gè)反應(yīng)堆會(huì)用約5%多一點(diǎn)的時(shí)間生產(chǎn)一定量的放射性同位素，這之中多數(shù)由研究堆產(chǎn)生。放射性同位素目前的用處之多之廣，不熟悉的人了解之后肯定是相當(dāng)吃驚的。它可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等。

在醫(yī)學(xué)上同位素主要用于顯像、診斷和治療，另外還包括醫(yī)療用品消毒、藥物作用機(jī)理研究和生物醫(yī)學(xué)研究。“放療”這個(gè)名詞許多人都應(yīng)該聽說過，這可能是大眾了解最多的一種放射性同位素的使用，主要用于治療癌癥。放射性同位素源源不斷地產(chǎn)生輻射，而這種輻射是低溫消滅真菌、細(xì)菌、病毒等微生物的首選方法。

農(nóng)業(yè)上，昆蟲不育技術(shù)基于用;輻射使昆蟲不育(喪失繁衍能力)，現(xiàn)已成功地用于鏟除損害谷物的昆蟲種類，而對(duì)于人類健康和環(huán)境無任何副作用?？蒲猩希凰貥?biāo)記原子在遺傳研究中起著越來越重要的作用。