“我不知道第三次世界大战用什么武器，但我知道第四次世界大战用的武器是石头。”——爱因斯坦
爱因斯坦的这句话正是体现了核能是一把双刃剑，“核物理”这三个字是所有科学理论中最令人生畏和激动的短语之一。每当我们说到核物理，大多数人脑海中都会浮现出蘑菇云的画面，随之而来的就是核辐射带来的灾难和挥之不去的阴影。
但是核物理也为人类打开了能源世界的一扇窗户，我们以前赖以生存的原子之间的化学能是无法满足人类对能源的需求；核物理也真正让人类体验到了原子核内蕴含的巨大能量，今天我们就聊下：结合能、核物理和放射性。
万物的基本成分
首先我们看一下组成所有物质的基本成分。深入到我们身体的细胞，细胞器，构成它们的分子，一直到构成地球万物的元素：单个原子。
每个原子的核心都是由质子和中子组成的原子核，而质子和中子又是由更基本的粒子组成，即夸克和胶子。因此当谈到核物理的时候，我们就会想到无数的粒子以及这些粒子是如何在最小的尺度上结合在一起的。
我们知道在最基本的层面上，夸克和胶子结合在一起，每个核子都由三个夸克组成，其中核子是质子或中子的通称。
核子中多出来的质量来自哪里？（结合能）
如果我们分别查一下夸克和质子、中子的质量，我们就会知道中子和质子不仅仅是由三个夸克组成的。
我们通常说质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。
但上夸克的质量约为4-5兆电子伏（自然单位），下夸克的质量约为7-8兆电子伏；基于此，我们可能会认为质子的质量应该在17兆电子伏左右，中子的质量在19兆电子伏左右。
这样的加减感觉很合理，但这样加出来的质量只占实际质子质量和中子质量的2%左右，质子质量和中子质量分别约为938兆电子伏和940兆电子伏。那么多出来的质量来自哪里呢?
多出来的质量来自结合能。上文中关于夸克质量的数字是理论上自由夸克的质量，自由夸克不受任何其他力的束缚。但是在宇宙目前的能量下夸克不可能自由独立的存在，我们称之为夸克禁闭。这是因为量子色动力学的规则，在强力的作用下带色荷的夸克必须与其他夸克结合在一起，使总色荷为0！因此夸克只能稳定地存在于束缚态中，而夸克唯一能稳定超过一微秒的束缚态就是质子和中子。
所以，我们在质子或中子中观察到的“质量”的大部分不是来自，定义核子本身的三个夸克的质量，而是来自使夸克结合在一起的强力场。
另一种看待质量差的方法是，把构成每个核子的胶子和虚粒子（夸克和各种类型的反夸克）看作是质子或中子质量的来源。
也就是说，一个质子或一个中子，实际上看起来比三个夸克要复杂得多。事实上，组成质子或中子的三种夸克更准确地称为价夸克，而所有其他由虚胶子产生的夸克和反夸克对被称为海夸克，它们携带了一个核子98%的质量。
核能
除了一个单独的质子（普通的氢核）之外，核子在自然界中也不是孤立存在的。
核子也存在于相互束缚的状态中。这就是原子多样性的开始，也是组成万物的基础，原子核中有不同数量的质子（构成不同的元素）和不同数量的中子（构成不同的同位素）。质子和中子的每一个独特组合都有独特的结合能，而且只有极少数的组合是稳定的。
核子最简单的组合是：一个质子和一个中子称为氘，比一个自由质子和中子轻2.2兆电子伏。现在开始加入更多的核子，比如两个质子和两个中子形成氦-4，比那四个自由粒子轻了28兆电子伏。所有元素中最稳定的是铁-56，有26个质子和30个中子，它的质量比26个自由质子和30个自由中子轻492兆电子伏。元素聚变所释放的能量就是来自结合能，这就是为什么同样数量的核子结合在一起质量会降低的原因。
但是到铁-56这里再往后的元素，就没有比铁-56更高的结合能了，所以铁聚变就不在释放能量。这就是铁不能再聚变下去的原因。
低质量粒子容易融合成高质量粒子，并且释放出巨大的能量。只要能达到足够的温度和密度，核聚变是自然就能发生的事情，这既是商业核聚变的过程，也是宇宙中所有比锂重的元素在恒星的核熔炉中产生的过程！（大爆炸诞生了少量的锂）
不稳定元素的放射性
从铁以后的元素，也就是大多数更重的原子核，由于其核子的结合能太小，不能有效的控制原子核，就会自发地经历三种放射性衰变，从而达到更稳定的状态：
γ衰变，指原子核发射出伽马射线，即高能光子，形成质量稍低、质子和中子数量相同的原子核;
β衰变，原子核释放一个电子和一个反电子中微子形成一个质量稍低的原子核，比母核多一个质子，少一个中子;
α衰变，一个原子核发出一个氦-4原子核（两个质子和两个中子，称为α粒子），并导致一个质量较低的原子核，比母核少两个中子和少两个质子。
这些衰变过程对于一个原子核可能是一次性的，因为经历衰变后产生的子核可能是稳定的，或者经历的其中一种衰变可能只是放射性衰变链的一部分，而放射性衰变链需要许多步骤才能达到一个稳定的原子核。
需要注意的是：
质子和中子的每种组合都具有特定的结合能，因此具有特定的静止质量，
但是只有三种类型的放射性衰变，每一种都会产生光子（无质量）、电子（给定质量的小粒子）或α粒子（给定质量的大粒子），因此
每种放射性元素都会产生放射性衰变，并伴随着特定的特征能量和时间尺度（半衰期）！
每种辐射粒子（α、β和γ）都需要采用不同类型的材料来阻挡，并保护我们人体免受伤害。
上图可以看到，α粒子基本上是无害的，一张纸就可以阻挡住α粒子的去路，即使它们真的撞到了你的皮肤，也会被表皮的细胞拦截。如果撞到了你的脚后跟，那基本上会被直接反弹出去。
β粒子会造成一些伤害；它们能穿透皮肤，如果剂量太大，会让人体患上辐射病危及生命。
要说最致命的当属γ粒子；这种粒子需要整整30厘米的铅才能有效地保护人体免受伽马射线的伤害，而且大多数与辐射疾病有关的病例，比如广岛原子弹，都来自伽马射线。
总结：我们人类要正确使用核能
还记得俄罗斯的亚历山大·利特维年科（Alexander Litvinenko）吗？因被迫摄入放射性同位素钋（Po-210）而中毒，钋是一种发射α粒子的放射性元素。虽然α衰变是无害的，只说的是外部环境，但如果衰变发生在身体外部，所有的辐射都会被吸收，就可能危机生命。（这适用于摄入足够数量，并且半衰期较短的放射性物质!）
我们每个人身体中都含有C-14，也具有放射性，但对人体无害，所以任何东西只要量足，都能威胁健康。
这就是结合能、核物理和放射性！原子核中蕴含着巨大的能量，它来自核子之间的结合能，是我们正物质宇宙中最高效的能源。核能可以瞬间杀死成千上万的人，其放射性也能缓慢地毒害任何个体，但如果我们正确地使用核能，它可以成为人类无限的力量源泉。
