到19世纪末，对太阳光的光谱测量已经揭示出太阳含有大量的氢和少量的氦。科学家们在20世纪的头几十年就充分意识到了这一点，但由于相对论那时才刚刚被发现，而量子物理学也处于早期发展阶段，因此不可能将这种观察应用到恒星如何产生能量的问题上。直到20世纪20年代初，这一直是一个谜，当时英国物理学家弗朗西斯·阿斯顿发现四个氢原子的质量之和略大于一个氦原子的质量。爱因斯坦的理论预测，这种质量上的差异会转化为能量，因此阿斯顿推测，恒星通过将氢原子聚变成氦来产生能量。这个假设在接下来的20年里得到了证实，恒星聚变理论现在被认为是现代物理学的重要成果之一。

人们也很快意识到，核聚变反应可以产生大量有用的能量。不仅如此，它所需要的燃料（氢）在地球上是取之不尽，用之不竭的，而且聚变反应唯一的废料是氦，它是无毒的，不会导致全球变暖。

本文将讨论什么是核聚变及其作为一种能源的含义。

智能转换

与化学不同，在核反应中，质量不是守恒的。我们总是会发现，反应生成物的质量，与反应物的质量是不同的。这个质量差称为质量缺陷，我们把它写成?m。质量似乎消失了，因为质量缺陷通过爱因斯坦的方程转化为能量。反应得到的能量为E=?mc2。为了获得有用的能量，我们需要?m为正。在聚变反应中，这意味着我们希望生成物的质量略小于反应物的质量，例如一个氦原子的质量略小于四个氢原子的质量。在裂变中，这意味着我们希望生成物的质量小于反应物的质量，比如铀原子的质量要略大于反应产生的中子、氪原子和钡原子的质量之和。在相反的方向上进行反应所需要的能量比释放的能量要多，原则上，将氦原子分裂成氢是可能的，但这个过程消耗的能量比释放的能量要多。

结合能

既然在反应中核子的数量保持不变，为什么一个氦原子比四个氢原子轻，为什么一个铀原子比一个氪原子和一个钡原子的总质量重？额外的质量在哪里？为了回答这个问题，我们先写出反应的能量守恒方程。设E-p为质子的质能，E-n为中子的质能，E- he为氦原子的质能，?E为反应释放的能量。能量方程为：

这告诉我们，在氦原子的原子核中，总能量有两项。第一个是它的四个核子的质能（两个质子和两个中子，我们将它们的质能视为近似相等，因为一个质子的质能约为一个中子的质能的999/1000），第二个是一个负项，绝对值为?E。这个负能量叫做结合能。它对应于相互作用的总势能，其中强大的核力把所有的核子聚集在一起减去带电粒子之间的斥力库仑的电势能。结合能是负的，因为粒子必须做宫（失去动能）才能逃离原子核。每核子的结合能是一种特定元素的原子的特性，下面的图表描述了这种能量：

一个重要的定律是，如果一个反应的生成物的原子核比反应物的每盒子有更低的结合能，那么能量将被释放。要了解为什么会这样，想象一下在反应后的中间状态（核聚变或裂变），产物核作为一种不受约束的状态存在了片刻，这种状态由一堆互不相互作用的质子和中子组成。为了成为原子核，大量的核子必须通过强大的核力相互作用而结合起来。这种相互作用的能量是结合能，结合能是负的，所以当它变成一个原子核时，由一堆核子组成的系统的总能量降低了。但是能量必须是守恒的，所以为了降低系统的热力学能，它必须向周围放出一些能量。

你还可以在图表上看到，比铁重的元素在裂变时释放能量，比铁轻的元素在聚变时释放能量。

如何引起聚变

我们已经确定了核聚变过程中会发生什么，但我们还需要知道如何使两个原子核发生聚变。

原子核由不带电的中子和带正电的质子组成，它们都带正电，因此它们相互排斥。然而，当两个核之间的距离与核直径相当时，一种叫做强核力的力就会起作用。与静电力不同的是，静电力的作用范围是无限的，而强核力的作用范围是有限的，因此，如果原子核之间的距离大于这个范围，那么强核力相互作用就不会发生。然而，与静电力不同的是，这种强力是有吸引力的，它将质子和中子结合在一起，对抗斥力。如果我们能使两个原子核靠得足够近，使强大的核力压倒进电力，它们就会发生聚变。

如果我们从势能的角度来考虑，这会更清晰，并且首先采用忽略量子力学的经典方法。一个带电荷q的正电荷粒子，就像氢原子的原子核一样，产生一个电势场：

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