原子能又稱“核能”。即原子核發(fā)生變化時釋放的能量，如重核裂變和輕核聚變時所釋放的巨大能量。放射性同位素放出的射線在醫(yī)療衛(wèi)生、食品保鮮等方面的應用也是原子能應用的重要方面。

原子能是指原子核里的核子——中子或質子，重新分配和組合時釋放出來的能量，符合愛因斯坦的質能方程E=mc2。公式中的E指能量，m指質量，c指光速。由于光速十分快，所以僅僅需要一點點的質量，就會產生龐大的能量。

原子能目前主要有兩種，聚變能與裂變能。當今的核燃料主要是鈾，1公斤鈾原子核全部裂變釋放出來的能量約等于2700噸標準煤燃燒時所放出的化學能。

地球上的鈾主要分為鈾-238和鈾-235，占比分別為99.7%和0.3%，鈾的儲量很低，適合開采的總量約為100萬噸，且分布極不均勻。按照世界上目前的消耗來看，幾十年就可以消耗完。但是在海洋這個巨大的寶庫中，含有極為豐富的鈾資源。

據估算，海洋中含鈾達45億噸，是陸地總儲量的幾千倍，但是海水中的鈾含量是很低的，1000噸的海水中含有3克鈾，也就是說，1千克的鈾，需要處理33萬多噸的海水。值得一提是原子能同石油一樣是不可再生能源，它們的不同在于原子能是清潔能源。

質子一類的粒子可以加速到極高能量，因為這些粒子又小又輕。今天，加速一輛車或太空飛船至接近光速還是不可能的事，因為加速一個物體所需能量會隨其質量增加。但是從另一個角度說，幾個粒子內也蘊含著巨大的能量，這就是原子能。原子能的基礎稱為核能，大小同樣和質量有關，但是和加速一定質量物體所需能量的概念完全不同。

德裔美國理論物理學家愛因斯坦作出過許多革命性的發(fā)現。其中之一就是他最著名的質能方程：E=mc2，式中：E表示能量;m表示質量，c表示真空中的光速。愛因斯坦的理論認為，物體含有靜止能量，其值可從上述方程得到。

這是一種具有革命性的想法，因為這種能量既不依賴于運動，也和任何我們熟知的機械能或化學能無關，而僅僅基于物質質量。這個方程表示物質和質量是可以互換的，且交換系數相當大。光速值已經很大了，為30萬千米/秒，在方程中將光速平方，使系數大得驚人。

因此質量為m的物體所包含的能量E，根據愛因斯坦的質能方程，將等于mc2，是一股十分巨大的能量。這個方程被證明是正確的，為核能的發(fā)展提供了舞臺。核能既用于有益的核電反應堆，也用于毀滅性的核武器。

與愛因斯坦同時的法國物理學家貝克勒耳，在1896年發(fā)現了放射性現象，波蘭科學家瑪麗亞·居里與丈夫比埃爾·居里在這一領域進行了更為深入的研究。放射性是指某些特定原子核發(fā)生衰變時放出能量的現象。例如，

鈾元素的原子核能發(fā)射α粒子，同時自身衰變?yōu)殁Q元素的原子核(放射性是盧瑟福和其他科學家實驗所用α粒子的來源)。粒子發(fā)射是自發(fā)產生的，不需任何幫助或激發(fā)就會出現，出現的時間間隔是隨機的。1903年，上述3位科學家分享了諾貝爾物理學獎，居里夫人憑借其對放射性化合物的進一步研究，于1911年獲得諾貝爾化學獎。

不久之后，物理學家發(fā)現了裂變現象：一個原子核分裂為其他幾個更小的原子核。裂變與放射性一樣，也伴隨著能量釋放。但是裂變通常不是自發(fā)發(fā)生的，例如鈾元素的原子核可以分裂為兩個小一些的部分(鋇原子和氡原子)，但這僅在吸收一個中子的情況下發(fā)生。

在這一過程中，一小部分質量“消失”了：反應產物鋇、氡及幾個中子的總質量，比反應前鈾及其吸收的中子的總質量略小。這一部分質量變成了能量，能量大小由愛因斯坦的質能方程E=mc2確定。僅有一小部分(約0.1%)質量轉化為能量，但由于方程中c2一項，得到的能量仍然是驚人的。

這些發(fā)現促成了原子彈的發(fā)明，第二次世界大戰(zhàn)期間由在美國工作的科學家秘密研制。這些原子彈用鈾或钚的特定同位素制造。一種元素的所有原子其核內含有的質子數都是相同的，但是中子數目在一些原子內是可變的，一種元素的同位素含有相同數量的質子和不同數量的中子。

原子核內的中子數往往會影響那些放射性元素放射性的大小，以及核裂變的難易程度。原子彈制造者當然會選用最容易發(fā)生裂變的同位素。原子彈內會發(fā)生鏈式反應，大量原子核同時裂變。發(fā)生鏈式反應是由于最初中子引發(fā)幾個原子核裂變，裂變生成更多中子(還有其他產物)繼續(xù)引起其他原子核裂變使反應連鎖進行下去。

到目前為止，人類在戰(zhàn)爭中僅使用過兩枚原子彈，均為第二次世界大戰(zhàn)期間，都是美國向日本投擲的。像人們期待的那樣，原子彈終止了這場罪惡的戰(zhàn)爭，但是原子彈引起的死亡和破壞同樣非常可怕。第一枚原子彈于1945年8月6日投擲于日本廣島，其能量相當于1.3萬噸烈性炸藥三硝基甲苯(TNT)，導致約10萬人死亡。另一枚原子彈于1945年8月9日投擲于日本長崎，破壞程度相當。

使用原子彈的結果不僅僅是爆炸的破壞，還有放射性物質的擴散。其中許多放射性同位素以電離輻射的形式發(fā)出能量。電離輻射是有害的，前文曾提到過，是源于其對細胞分子的破壞。DNA分子尤其脆弱，對DNA分子的破壞將導致基因突變，從而引起人及其他生物死亡或不可恢復的永久性損傷。

早期研究放射性物質的物理學家最初并沒有意識到這種損害，例如居里夫人，她很可能就死于由于長期暴露于放射性物質所引發(fā)的疾病。

1、核電

提到原子能，核電站絕對是人們第一個想到的和平利用方式。自1954年蘇聯在莫斯科西南奧布寧克斯建成第一個核電站以來，核電成為了人類能源來源的重要組成部分。

據國際原子能機構在2011年發(fā)布的數據顯示，全球運行中的核電機組共計442個，興建中的核電機組65個，核電發(fā)電總量占全球電量的16%。核電占據法國發(fā)電總量的80%，是法國電力的主要來源。

據2016年數據，我國目前運行中的核電機組共計34臺，數量上僅次于美國、法國、俄羅斯，位列全球第四;在建核電機組20臺，穩(wěn)居世界首位，占全球在建核電機組數量的40%，是世界上核電發(fā)展最快的國家。

核電站的原理基本與火力發(fā)電站相同，核電站以核反應堆來代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產生熱量，使核能轉變成熱能來加熱水產生蒸汽。利用蒸汽通過管路進入汽輪機，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，其發(fā)電機組和火力發(fā)電站大同小異，奧妙全在核反應堆中。

核反應堆，又稱為原子反應堆或反應堆，是裝配了核燃料以實現大規(guī)?？煽刂屏炎冩準椒磻难b置，主要分為四類：沸水堆、壓水堆、重水堆和快堆。其中快堆與前三種不同，前三種對核燃料鈾的利用率只有1%-2%，快堆可以達到60%-70%，但快堆的技術相較于前三種還不完善。

核電的優(yōu)點有很多，如不會產生溫室氣體、能量密度極高、燃料體積小、運輸儲存都比較方便等。1000百萬瓦的核電站一年僅需30噸的鈾燃料，一航次的飛機或是一次汽車就可以運送。如果是燒煤發(fā)電站，一年所需原煤大概300萬-400萬噸，需列車2760輛。

但是，我們也需要正視核電的缺點：核電站的熱效率低，相較于傳統電廠，將有更多的廢熱直接排放進大氣中;核電站的核燃料成本低，但是前期成本十分高;最關鍵的，核廢料尤其是高放射性的核廢料的處理一直是個很大很重要的國際性難題，運行中如果產生了事故，造成核泄漏，將對生態(tài)環(huán)境和民眾造成極大的威脅。

歷史上曾有三次比較重大的核事故，分別是三里島事故、切爾諾貝利核電站爆炸和福島核危機，其中切爾諾貝利事故是歷史上最大的核事故。

2、核動力機械

除了大家熟知的核動力航母、核動力潛艇這種軍事領域核動力的應用，其他領域內核動力也發(fā)揮了很大的作用。

破冰船是目前裝備核動力比較多的非軍用艦船?！氨睒O”(Arktika)是世界上最大的破冰船，長134米，寬30米，排水量23000噸，安裝兩座反應堆。Arktika是第1艘達到北極極點的水上艦船。

核動力商船從上世紀60年代美國的Savannab建成以來，經歷了數十年的發(fā)展，僅俄羅斯的破冰集裝箱船Sevmorput獲得成功。與同尺寸的常規(guī)動力的商船相比，載貨量極低，船員數量卻高了2倍，加上培訓船員的費用，使用起來是不經濟的。

核動力驅動機械的原理基本與用于發(fā)電的原理相同，區(qū)別只是在于核電站的蒸汽輪機帶動發(fā)電機組，核動力艦船是帶動齒輪箱，傳動到螺旋槳。提到蒸汽輪機，有人戲稱人類對原子能的利用還停留在用它燒開水的地步。但這是有原因的，水是反應堆良好的慢化劑和冷卻劑，也是人類使用最多的熱機工質之一，自然大部分熱中子堆就變成燒開水的核鍋爐了。

3、生產放射性同位素

一百年前天然放射性的發(fā)現，引起了人類對宇宙認識和知識更新的一場偉大變革。放射性同位素的主要來源是核反應堆和加速器。

目前世界上的反應堆中，大概有100多個反應堆會用約5%多一點的時間生產一定量的放射性同位素，這之中多數由研究堆產生。放射性同位素目前的用處之多之廣，不熟悉的人了解之后肯定是相當吃驚的。它可以應用于多個領域，例如醫(yī)學、工業(yè)、農業(yè)、科學研究等。

在醫(yī)學上同位素主要用于顯像、診斷和治療，另外還包括醫(yī)療用品消毒、藥物作用機理研究和生物醫(yī)學研究。“放療”這個名詞許多人都應該聽說過，這可能是大眾了解最多的一種放射性同位素的使用，主要用于治療癌癥。放射性同位素源源不斷地產生輻射，而這種輻射是低溫消滅真菌、細菌、病毒等微生物的首選方法。

農業(yè)上，昆蟲不育技術基于用;輻射使昆蟲不育(喪失繁衍能力)，現已成功地用于鏟除損害谷物的昆蟲種類，而對于人類健康和環(huán)境無任何副作用?？蒲猩?，同位素標記原子在遺傳研究中起著越來越重要的作用。