1、原子与核子。
曾经被认为是自然界中基础粒子的原子是由多个更基础的粒子组成－质子、中子和电子。这些粒子的排列，尤其是质子和电子的数量，决定了该元素的特性。原子包含一个原子核，其中带正电的质子和不带电的中子紧密聚集在一起，一定数量带负电的电子沿着轨道绕核运动。
在一个电中性或者未电离的原子中，质子的数量与电子的数量相等，其数值z是该元素的原子序数，并且唯一代表该元素（该数值对应该元素在周期表中的位置）。原子核内的中子数用n来表示，那么，显而易见，原子核中中子数量与质子数量之和就被称作原子质量数a。n+z=a。
核子被用于指原子核中所有的粒子，包括质子和中子。
尽管不是非常准确，图1.1显示了一个碳原子的结构，它具有一个含有6个质子和6个中子的原子核，以及6个轨道电子。更确切地说，最内层电子轨道半径应该大约是原子核半径的一万倍。
2、同位素。
具有相同原子序数z，不同中子数n的原子被称作用z标识的元素的同位素，所有的元素都有若干种同位素，某些元素有二十个或更多。每种自然存在的元素都有一个或多个自然存在稳定的同位素，其它不稳定或有放射性的同位素可以用人工方法制造。仅考虑化学性质，一个元素的不同同位素都有相同的性质，这一点并不奇怪，因为化学键仅存在于电子之间。
同位素之间的物理特性是不同的，由于两个同位素的差别是在原子核内，因此可以预计到它们的原子核的质量和其它特性都会有差别。同位素的完整表达方式包括化学符号，原子序数z作为下标，质量数a作为上标。例如，16/8o表示氧的同位素，原子核中有8个质子和8个中子。
天然氧气是三种同位素的混合物，即16/8o、17/8o、18/8o。氧另外也有三种不是自然产生的辐射同位素。事实上，下标z不需要写，因为氧的同位素都有8个质子，可以写成16o、17o、18o。
氢是核工程中的一个重要元素。自然界中的氢有两个同位素，99.985%的同位素1h和0.
015%的2h，叫重氢或氘。第三种同位素3h叫氚，是有放射性的。元素的不同同位素有不同的名字，这是特例。
通常同位素用质量数来区别。
3、核物理单位。
质子和电子的特性，尤其是它们的质量和荷电量，是非常重要的，因为它们决定了这些粒子的表现行为。所以这里引入一些在原子和核物理以及核工程中普遍使用的单位。标准质量单位定义为碳12原子的1/12，价值为1u=1.
6604x10-27kg 或1kg=6.023x1026u。任何同位素原子的质量等于用u表示的该同位素一个原子的质量，一个元素的原子质量是该元素自然存在的同位素原子质量的加权平均。
摩尔，或者更准确地用公斤－摩尔是指同位素的一个数量，当其质量用公斤表示时，其数值等于其原子质量数。从前面所介绍的标准原子质量单位的定义可以看出，非常明显，任何同位素1摩尔的质量用u来表示等于6.023×1026×原子质量。
对于任何同位素来说，每摩尔原子的数量= 一摩尔的质量/一原子的质量。而且有单位u表示的一个原子的质量即原子质量，所以任何同位素每摩尔原子数量为6.023×1026。
这叫阿佛伽德罗常数，是重要的物理常数，适用于所有的同位素和元素。
阿佛伽德罗常数=6.023×1026原子/公斤-摩尔。
该公式也适用于化合物和分子，摩尔作为数量，其用公斤表示的质量在数字上等于分子量。因此一摩尔的氧分子，质量为32公斤，含有6.023×1026分子。
质子与电力的电荷数量相等，但符号相反。该电荷叫做荷电量，为1.602x10-19库仑。
能量的单位是电子伏或兆电子伏。电子伏的定义为1个粒子通过1伏势能差时所获取的能量。1电子伏=1.602x10-19焦耳。
4、质量亏损。
原子的质量不完全等于其组成粒子的质量之和。例如o-16的质量就明显小于8个中子和8个氢原子的质量之和。在由其组成粒子构成原子的过程某一阶段，经典的质量守恒原理被打破了，原子与其组成粒子之间的质量差被称作质量亏损。
从质量和能量的等效原理中可以找到解释，在这一原理中，爱因斯坦证明了质量和能量时同一基本量的两个不同形式。在很多反应中，存在一个质量和能量转换，所以，尤其是在原子尺度范围，当质量守恒原理或者能量守恒原理单独应用于一个反应时是无效的，必须用质量加能量守恒原理来代替。在很多伴随质量变化的反应中，质量的减少伴随有能量的释放，而质量的增加则对应有能量的吸收。
质量和能量等式由以下著名公式表明e=mc2，其中c是光速，即 2.998x108米/秒。
5、结合能。
同类带电粒子中存在静电斥力，与它们距离的平方成反比，该力量如此之大，无法形成原子核。但原子核确实存在的事实表明存在一个更大的引力。该核力仅当核子之间的距离非常接近的时候才其作用，并且可以将它们束缚在一个紧凑的稳定结构中。
为了使一个原子核**成其组成核子，必须从外界输入能量。根据爱因斯坦关于质量与能量的关系式，一个给定的原子核比其组成核子的质量之和要小，其差值就是结合质-能。假设一个原子的核子及外部的电子质量为m, mn和mh是中子、质子和匹配电子的质量。
那么，结合能为。
b=各粒子质量之和-原子的质量或b=nmn+zmh-m
该关系式忽略了少量的原子或化学结合能。）让我们来计算氢原子中最重的氚的b。图1.
2表明，如果提供足够的能量，将发生分解的情况。z=1，n=2，mn=1.008665，mh=1.
007825，m =3.016049，那么。
b=2×1.008665+1×1.007825-3.016049=0.009106u
b=0.009106 u
1 u =931兆电子伏，进行换算后，结合能b=8.48兆电子伏。这些计算可用来比较不同核子的稳定性，找出核反应的能量释放情况，**核子裂变的可能性。
假设m1是一个原子的质量，m2是吸收一个中子后的质量。质量为mn的中子的结合能为。
b= m1+mn- m2
6、核力和能级。
现在简要介绍一下在原子核中核子之间存在的力。带电粒子之间的库仑静电力在宏观尺度上是众所周知的；库仑静电力也存在于核内的质子之间，由于质子都是带正电的，因此是排斥力。所以，库仑力是一种**原子核的力，而自然存在的同位素原子核是稳定的、并且紧密束缚在一起的事实说明存在另外一个比库仑力更强的力将原子核束缚在一起。
事实就是这样，实验已经证明在距离非常接近达到3×10-15m的粒子之间存在一个非常强大的短程引力。假设粒子之间的距离小于上面给的值，这个短程核力在两个质子、两个中子或者一个质子和一个中子之间作用力几乎相等。
通常，原子核处于平衡态或稳定状态，也就是他们的能量基态。然而，由于核反应的结果，原子核可以产生激态或者不稳定态，其中一个或多个核子被提高到受激态。原子核的受激态或者能级与原子的受激态相似。
对于后者的情况，激发导致了一个电子从其正常轨道跃迁到距离原子核更远的轨道上，并且，根据一个原子进行了一次或多次跃迁，原子可能有若干个离散的激发态。 在原子核中，情况会更复杂，因为激发可以使几个核子被同时提高到激态能级，并且一些原子核可能有大量接近的激发能级。通常，轻核具有更宽的能级，对于所有的原子核，随着激发能量的增加，能级的带宽减小。
大多数激发态的原子核只能在这个状态存在很短的实践，典型的平均寿命约为10-14 秒，它们会通过放出被称作伽马射线的高能电磁辐射的形式，或者放出如中子等的粒子，或者两者都有的形式进行衰变，或脱离激发态。对于核工程人员感兴趣的大多数涉及到生成和受激态核衰变反应，受激态原子核的寿命很短，以至于生成和衰变的过程可以被认为使瞬时发生的。
7、裂变。裂变是1938年在德国被哈恩和斯特拉斯曼，在他们研究用中子轰击铀制造的后铀元素的放射性同位素时发现的。从反应产物中被发现的一个元素为具有放射性的ba-139，该元素表明是一个迄今为止未知的反应类型，在该反映中铀核**成中等质量元素的碎片。
进一步的工作表明了其它几个中等质量元素的出现，因而，裂变过程的存在被明确地证明。短时间之后，也表明在该过程中还有中子放出，人们意识到链式反应存在的可能性，其中一个裂变过程放出的中子可以造成进一步裂变反应，这样就可以建立一个持续的反应。
理论上发生裂变反应的u同位素为u－235，其在自然存在的铀中占0.715%。对该同位素，裂变可以由任何能量的中子引发，低能量中子最有效。
u－238在天然铀中占99.285%，裂变由能级大于1兆电子伏的中子引发。
还有三种能引发裂变的同位素，钍-232是该元素中唯一能由能量大于1.4兆电子伏的中子引发裂变的同位素。u－233和钚－239不是自然存在的，但可以由人工生成，可以由各种能量的中子引发裂变，低能量中子最有效。
习惯上将上述五种同位素（以及其它由小于10兆电子伏引发的同位素）作为可裂变材料，将可由低能量中子引发裂变的u－233、u－235和钚－239称为易裂变核素。
本书不介绍裂变原理，但简单介绍一下广为接受的液滴模型理论将为该过程提供形象的**。短程核力与液滴的表面张力相似，可以像液滴为球形的方式一样保持原子核为近似的球状，但是，如果原子核吸收一个中子被激发，其形状会被扭曲。大多数情况下，扭曲会被核力所限制，在退出激发态后，原子核的球形被恢复，但是，当扭曲可能导致原子核变成哑铃状，这时哑铃的两个半球之间的库仑斥力超过因原子核变形而减弱的核力。
一旦这一临界点达到，原子核就会裂变成为两个碎片。
裂变的特性将以u－235为例来介绍，但是，其它四个同位素的裂变在每个方面都基本相同。反应的第一阶段是u－235吸收一个中子，变成一个激发态的u－236。有些情况下，u－236通过放出伽马射线的形式进入基态，例如(n,r)反应，但是，在大多数情况下，u－236原子核会像前面描述的那样进行分解。
裂变的产物是两个质量数大约在70～160范围内变化的裂变碎片、0～5个中子、倍塔粒子、伽马射线、中微子和能量。 图1.3用图表介绍了这些产物。
黄国芳译)
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