(質量可以轉變為能量，能量可以轉變為質量) 7-2 核能 1 of 14 在二十世紀初以前，一般認為物質和能量是分立的，彼此不能轉換。 1905年愛因斯坦在相對論中提出質能互換公式： (質量可以轉變為能量，能量可以轉變為質量) 能量(焦耳，J) 質量(kg) 光速(m/s) 核能發電的原理實際上就建立在這個公式上。

7-2 核能 2 of 14 愛因斯坦延伸了能量的概念，即物質是能量的一種呈現方式。 有些質量重的原子核並不安定，當受外來粒子撞擊時，會分裂成數個質量較輕的原子核，稱為核分裂。 反過來說，數個質量較輕的原子核在高溫的條件下，能融合成一個較重的原子核，稱為核融合。 兩種核反應皆因反應後的質量較反應前減少而釋放出巨大的核能。

7-2 核能 3 of 14 例題7-1 若核反應前後，減少1克得質量，按上述公式計算，可產生多少焦耳的電能？ 解：

7-2 核能 4 of 14 目前運作中的核能發電廠都是利用鈾做為燃料。天然鈾礦中有99.3%的鈾-238和0.7%的鈾-235。 鈾-235原子核受到中子撞擊易分裂，產生兩個中子繼續撞擊其他鈾-235原子核，產生連鎖反應。 鈾-238原子核不會分裂，反而會吸收中子，阻礙連鎖反應的進行。

7-2 核能 5 of 14 核電廠要產生核分裂反應必須使鈾-235的濃度達到約3%，才能使核分裂的連鎖反應有效的進行。(為什麼會不有效？比3%低會如何？比3%高會如何？怎麼控制連鎖反應？) 產生的熱能，透過蒸汽機的原理推動渦輪葉片，帶動發電機，產生電能。

7-2 核能 6 of 14 核能發電所使用的鈾燃料和原子彈不同；後者含鈾純度很高，鈾-235的濃度必須90%以上，核分裂的連鎖反應無限制。任其反應快速的進行，瞬間產生巨大的能量而爆炸。 核電廠的鈾-235純度較低，加上反應爐內裝有可以吸收中子的控制棒，使連鎖反應在受控制的情況下緩慢的進行，不致爆炸。

7-2 核能 7 of 14 我國核三廠全年的發電量所需鈾燃料57噸，改用煤氣約需四百萬噸，石油約需兩百八十萬噸，天然氣約需一百九十萬噸。 核能的優點在於，不會產生二氧化硫、氮的氧化物、二氧化碳，故不會導致空氣污染、酸雨、溫室效應；且鈾燃料體積小，運輸和儲存都方便。 最大的缺點是使用過的核廢料具有輻射性，若處理不善，對生物、環境有長期不利的影響，且核電廠運作的安全性也備受國際社會關注。

7-2 核能 8 of 14 因此科學家轉而研究另一種同樣可以產生巨大能量，卻不會有核廢料問題的核反應，核融合。(註：太陽產生的能量就是來自核融合。) 關於核融合的發電研究，在1951年第一顆氫彈試爆成功後，即已開始。 (註：氫彈也是利用核融合反應。) 核融合是將「氘」和「氚」的原子核，拘束在很小的區域，加以四千萬度的高溫，則兩原子核融合成較大的氦原子核和一個中子，伴隨產生巨大的能量。

7-2 核能 9 of 14 核融合所需的原料氘，平均在海水中每6700個氫原子中就可以找到一個，所以不虞匱乏。 另一個原料氚，可利用核融合產生的中子撞擊鋰原子核得到，而鋰在鹽湖和地質中有豐富的蘊藏量，也不虞匱乏。 至今人類還沒辦法控制核融合反應，不是反應不起來就是過度反應(氫彈)，但是在科學家的努力下，核融合還是人類最終的能源希望。

7-2 核能 10 of 14 通常核反應都伴隨有輻射的發生，所以核反應也可應用於農業、材料、醫療等方面。 一般伴隨反應的輻射有：α射線(氦原子核射束)、β射線(電子射束)、γ射線(電磁輻射)。 這些輻射具有的能量足以使一般原子核外的電子游離，因此稱為游離輻射，會傷害人體細胞。

7-2 核能 11 of 14 人體所受的輻射劑量的國際單位為西弗(Sv)，常用為毫西弗(mSv)，下表列出一般常見的輻射劑量值。 項 目 項 目 輻射劑量(mSv) 彩色電視每天看一小時的年劑量 0.01 胸腔X光照射一次的劑量 0.1 我國核電廠界外輻射年劑量(法規限值) 0.5 每人接受來自自然界輻射的年劑量 2 一般民眾每人的年劑量(法規限值) 5 核能從業人員每人的年劑量(法規限值) 50 鈷-60治療局部照射一次 2000

7-2 核能 12 of 14 下表為輻射對人體的生物效應。 輻射劑量(mSv) 生 物 效 應 或 症 狀 0~500 沒有顯著效應 生 物 效 應 或 症 狀 0~500 沒有顯著效應 500~1000 輕微血液異常 1000~2000 倦怠、無食慾、中度血液異常，所有患者可在數週內復原 2000~6000 嘔吐、嚴重血液變化、出血和感染，且於兩週後脫髮，約有20~100%患者可再一個月至一年之間復原 6000~10000 嘔吐、嚴重血液變化、出血和感染，且於兩週後脫髮，約有80~100%患者在兩個月內死亡，生存者需要很長的時間復原

7-2 核能 13 of 14 習題7-2 (3)核電廠和原子彈都是利用核分裂產生能量，兩者有何不同? (4)火力發電和核能發電各有何優缺點？ 解：(3)前者鈾純度低、受到控制的連鎖反應；後者鈾純度高、未受控制的連鎖反應。 (4)火力發電產生污染環境的廢棄物，發電量低；核能發電產生輻射性的核廢料難保存，發電量高，原料運輸、儲存容易等。

網路資源： 14 of 14 1.物理遊樂場 能源的種類與使用 http://www.ied.edu.hk/has/phys/work/index.htm