核結合能

核結合能（英語：Nuclear binding energy），又稱為原子能或核能，是由組成原子核的核子之間發生的反應釋放出的能量。同等質量下，原子能比化學反應中釋放的熱能要大數百萬倍，例如原子量為235的鈾元素，通過核裂變釋放的能量約為200,000,000電子伏特，而原子量為12的碳元素，通過燃燒這種化學反應釋放的能量僅為4.1電子伏特^[1]。

1905年，物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出狹義相對論，之後作為推論，又提出質能方程E=mc²，其中E=能量，m=質量，c=光速常量。自此核能得到科學的解釋和開發利用。

實驗測量

原子核由中子和質子構成。每個中子和質子都有自己的質量。但由於強相互作用與庫倫相互作用的存在，一個原子核的質量不完全等於每個中子和質子的質量和。

比如氦原子核的質量M( $He_{2}^{4}$ ) = 4.002603原子質量單位（u），質子（即氫原子核）的質量M( $H_{1}^{1}$ ) = 1.007825 u，中子的質量M(n) = 1.008665 u。氦核（ $He_{2}^{4}$ ）的質量與組成它的兩個質子與兩個中子的質量和不同：

2×M( $H_{1}^{1}$ ) + 2×M(n) = 2×1.007825 u + 2×1.008665 u = 4.032980 u;

M( $He_{2}^{4}$ ) = 4.002603u.

其差值為：

△M = 4.032980 u - 4.002603 u = 0.030377 u.

當兩個質子和兩個中子組成一個氦核時，要損失△M = 0.030377 u的質量。通過愛因斯坦的質能方程，可以算出由兩個質子和兩個中子形成一個氦核所釋放的能量：ΔE＝ΔM × ${c^{2}}$ = 28.30兆電子伏特（MeV）。

原理

核結合能主要由強相互作用引起。其中包括體積能、表面能、庫倫排斥能、對稱能和對能等組成。^[2]

液滴模型

由於原子核的結構與水滴的結構十分相近，可將原子核近似看做密度十分巨大的液滴來處理，這就是原子核的液滴模型^[2]。

結合能與比結合能

很顯然，組成原子的核子越多，它的結合能就越高。因此，我們不妨將原子核的結合能與核子數之比定義為一個新的物理量——比結合能（又稱平均結合能）。比結合能越大，原子核中的核子結合得越牢固，原子核越穩定。精密的物理檢測表明對於質量數偏低的原子，核子比結合能隨着質量數的增大而增大，而在鎂和鐵之間達到最大，之後便隨着質量數的增大而減小。因此可以得出，當重原子裂變成兩個或多個原子時，生成原子的結合能總和會大於原來重原子所具有的結合能，此間的差值便會以熱能的形式釋放出來，這便是核裂變反應。反之，當幾個輕原子結合，合成原子的結合能大於原本所有原子結合能之和，這便是核聚變反應放出能量的來源。