一个自由中子是不受原子核束缚的中子。与有界中子不同，自由中子受制于放射性衰变。
它衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子(中微子的反物质对应物，一种不带电荷、几乎没有质量的粒子)。自由中子的半衰期为大约611秒(10.3分钟)。这种衰退包括弱相互作用它与夸克变换有关(下夸克转换为上夸克)。中子的衰变是观测的一个很好的例子中微子。因为中子以这种方式衰变，所以它在自然界中不以自由状态存在，除非在宇宙射线中的其他高能粒子中。因为自由中子电中性的，它们穿过原子内部的电场而没有任何相互作用，它们几乎完全通过与原子核的相对罕见的碰撞与物质相互作用。
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一克(一公斤的千分之一)质量的能量相当于:
或以下物质燃烧释放的能量:
任何时候产生能量，过程都可以用E = mc2视角。
如果分裂释放能量，聚变释放能量，那么断点在哪里?为了理解这个问题，最好把结合能和一个核子联系起来，得到核结合曲线。每个核子的结合能不是线性的。结合能曲线在稳定区附近有一个峰值铁这意味着，要么比铁重的原子核分裂，要么比铁轻的原子核结合，都会产生能量。
铁峰后趋势逆转的原因是原子核的正电荷不断增加。电磁力的作用范围比强核力大。虽然强核力只束缚近邻，但每个质子的电磁力会排斥其他质子。
今天我们利用核能来产生有用的热和电。这种电是在核电站。核电站的热源是一种核反应堆。正如所有传统热电站的典型情况一样，热量被用来产生蒸汽，蒸汽驱动与发电机相连的汽轮机，发电机产生电力。2011年，核能提供了全球10%的电力。2007年，国际原子能机构报告称，全世界有439座核反应堆在运行，分布在31个国家。它们生产基本负荷电力，不向大气中排放任何污染物(包括二氧化碳)。
耗电量3000mth(~1000MWe)反应堆(12个月燃料循环)
这是一个说明性的例子，下面是数据不适用于任何反应堆设计。
参见:燃料消耗
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核链式反应发生在单个核反应平均产生一个或多个随后的核反应，从而导致一系列自传播的这些反应的可能性。“一个或多个是反应堆物理的关键参数。为了提高或降低功率，必须改变反应的数量(使用控制棒)，这样存在的中子数(从而发电速率)就会减少或增加。
在核分裂或核聚变原子核的一些质量转换转化成巨大的能量，因此这部分质量从原始粒子的总质量中消失了，在生成的原子核中失去了质量。核的结合能是巨大的它们比原子的电子结合能大一百万倍。
对于有a(质量数)核子的原子核，每核子的结合能Eb/一个可以计算。计算出的分数在图表中显示为质量数a的函数。可以看出，对于低质量数Eb/一个迅速增加，并达到最大值8.8兆电子伏大约在= 60。具有最高结合能的原子核，也就是结合最紧密的原子核属于“铁集团”同位素(56铁、58铁、62倪)。之后，每核子的结合能减小。在重核区(A>60)，得到更稳定的构型重核分裂成两个轻核。这就是裂变过程的起源。似乎所有重核都能经历裂变甚至自发裂变。事实上，对于所有原子序数大于60的原子核，裂变很少发生。为了使裂变过程发生，a必须给原子核注入足够的能量无论如何。某些原子核的能量学和结合能用液滴模型它研究原子核的整体性质。
最早能很好地描述原子核结合能和质量行为的模型之一是质量公式冯魏茨泽克(也称为半经验质量公式- SEMF)，由德国物理学家于1935年发表卡尔·弗里德里希·冯Weizsäcker。这个理论是基于液滴模型提出的乔治•伽莫夫。
根据这个模型，原子核的行为就像水滴中的分子的液体。但在这个核尺度下，流体是由核子(质子和中子)，它们由强核力。核的液滴模型考虑了核表面核子的核力与核内部核子的核力不同。的内部核子被完全包围通过其他吸引核子。这是形成一滴液体的力的类比。
在基态，原子核是球形。如果加入足够的动能或结合能，这个球形核可能被扭曲成一个哑铃形然后可能会分裂成两个片段。由于这些碎片是一种更稳定的结构，所以这种重核的分裂必须伴随着能量释放。这个模型不能解释原子核的所有性质，但可以解释预测的核结合能。
原子核结合能是质量数a和
基于的质子Z液滴模型可以写成:
这个公式叫做魏茨泽克公式(或半经验质量公式）.这个方程的物理意义可以逐项讨论。
为了计算结合能，系数aV,一个年代,一个C,一个一个和一个P必须知道。系数的单位是megaelectronvolts(兆电子伏)并且是经过计算的通过拟合来实验测量的原子核质量。它们通常因拟合方法而异。根据ROHLF, j.w.，《从α到Z0的现代物理学》，Wiley, 1994。，式中的系数为:
使用魏茨泽克公式，原子核的质量也可以推导出来，由下式给出:
m = Z.mp+新墨西哥州n- eb/ c2
在哪里米p和米n质子和中子的静止质量分别是，和Eb是原子核的结合能。
从核结合能曲线和表中可以看出，在分裂a的情况下235U将原子核分成两部分，碎片结合在一起的结合能(A≈120)大于原来的结合能235U核。
根据魏茨泽克公式，该反应释放的总能量约为235 x(8.5 - 7.6)≈200mev。
参见:液滴模型
原则上,任何核，如果进入充分高激发态，可以分开。要发生裂变，激发能必须是高于某一特定值对于某种核素。发生裂变所需的最小激发能为临界能(E暴击）或阈值能量。
临界能量取决于核结构，对于Z < 90的轻核，临界能量相当大。对于Z > 90的较重原子核，临界能量约为4 ~ 6mev对于a偶核来说，通常是对于a -奇核来说要低得多。必须指出的是，一些重核(如。240聚氨酯或252Cf)甚至表现出裂变处于基态(没有外部添加的激发能)。这种现象被称为自发裂变。这一过程发生时，不需要通过量子力学过程增加临界能量量子隧穿通过库仑势垒(类似阿尔法粒子在α衰变中)。自发裂变有助于确保在反应堆运行时源距离探测器上有足够的中子通量亚临界长期停工。
参见:临界能量-裂变的阈值能量
发生裂变所需的最小激发能被称为临界能暴击）或阈值能量。
这个表显示了临界能量与若干原子核的最后一个中子的结合能的比较。一般来说，核裂变结果释放巨大的能量。能量的总量很大程度上取决于被裂变的原子核也很大程度上依赖于入射中子的动能。为了计算反应炉的功率，必须能够精确地辨识反应炉的功率能量的各个组成部分。首先，重要的是要区分释放的总能量和能量可以在一个反应堆。
释放的总能量在裂变中，可由初始目标核的结合能和待裂变核的结合能来计算裂变产物。但并不是所有的能量都能在反应堆中被回收。例如,约10mev的形式释放中微子(事实上反中微子）.由于中微子的相互作用很弱(任何相互作用的横截面都极低)，所以它们不能为反应堆中可以回收的能量做出贡献。
为了了解这个问题，我们必须先调查一下典型裂变反应比如下面列出的。
利用这张图，我们几乎可以识别和描述所有单独的组件在裂变反应中释放的总能量中。
释放的总能量在反应堆中约210 MeV每235U裂变，分布如表所示。在反应堆中，平均可回收能量每一次裂变是约200mev等于总能量减去的能量反中微子都被辐射走了。这意味着约3.1⋅1010每秒裂变数是需要产生幂的吗1 W。自1克任何裂变材料含有约2.5 x 1021核， 1克可裂变物质的裂变产生约1兆瓦日(MWd)热能。从裂变反应中释放的总能量的各个分量的描述可以看出，有大量的能量在外部产生核燃料(在燃料棒外)。尤其是动能提示中子很大程度上产生了在冷却剂中(主持人）。这种现象需要包括在核计算中。
对于LWR，一般认为约2.5%总能量的一部分被回收在主持人中。这部分能量取决于材料，它们在反应堆内的排列，因此也取决于反应堆的类型。
众所周知，裂变中子在任何链式反应系统中都是重要的。中子触发核裂变某些核(235U，238U甚至232Th）.这类原子核的裂变产生的关键是什么2、3或更多自由中子。
但并不是所有的中子都被释放同时发生裂变。甚至这些中子产生的性质也不同。从这个观点出发，我们通常把裂变中子分为以下两类:
参见:提示中子
参见:延迟中子
来源:JANIS(基于java的核数据信息软件);杰夫-3.1.1核数据库
a的概率中子它被a吸收了可裂变核素会导致
裂变是每一种可裂变同位素的重要参数。在横截面上，这个概率定义为:
σf/(σf+σγ) = 1 / (1 + σγ/σf) = 1 / (1 + α)，
在哪里α = σγ/σf被称为俘获裂变比。俘获裂变比可用作可裂变同位素“质量”的指标。较低的C / F值简单地说就是吸收反应将导致裂变而不是裂变辐射捕获。这个比率很大程度上取决于事件中子能量。在快中子区，C/F比减小。它是由更陡的下降辐射俘获截面(见图表)。
为235U和233U的热中子capture-to-fission比率通常比快中子(平均能量约为100 keV)的能量要低。必须指出的是，大多数快堆的中子通量往往在200 keV左右达到峰值，但根据特定的反应堆设计，平均能量在100-200 keV之间。
中子能量的进一步增加反而导致碳氟比的降低。这不是……的情况239聚氨酯，对于100 keV中子，C/F比热中子低。对于易裂变同位素(233U，235U和239聚氨酯)，捕获-裂变比小是一个优势，因为捕获到它们的中子会丢失。
来源:JANIS(基于java的核数据信息软件);杰夫-3.1.1核数据库
链式反应只能发生在适当的乘法的环境只有在适当的条件。很明显，如果一个中子引起两次进一步的裂变，增殖系统中的中子数将随着时间和反应堆功率的增加而增加。反应速率)也会随着时间的推移而增加。为了稳定这样的增殖环境，有必要增加非裂变中子吸收在系统中(例如to插入控制棒）.此外，这种倍增环境(核反应堆)表现得像指数系统，这意味着功率增长不是线性的，但它是指数。
另一方面，如果一个中子引起小于1进一步的裂变，增殖系统中的中子数将随时间减少，反应堆功率(反应速率)也将随时间减少。为了…维持连锁反应，有必要减少系统中的非裂变中子吸收(例如到收回控制棒）.
其实，总有一个竞争对于裂变中子在增殖环境中，有些中子会引起进一步的裂变裂变反应，有些人会。捕获由燃料材料或非燃料材料和一些将泄露出来系统的。
为了描述乘法系统，有必要定义无限和有限倍增系数反应堆的。乘法系数的计算方法已经发展出来在早年核能，只适用于热能反应堆在美国，大部分裂变反应发生在热能下。这种方法很好地将与热反应有关的所有过程(例如:热反应)纳入到上下文中中子thermalisation,中子扩散或者是快中子裂变)，因为最重要的中子物理过程发生在能量中可以彼此明显分开的区域。简而言之，乘法系数的计算可以很好地了解每个热乘法系统中发生的过程。
在核工程中，可裂变物质(核素)是一种能发生的物质裂变反应在吸收热(慢或低能量）中子或快(高能)中子。可裂变物质是可裂变物质的超集。可裂变物质还包括同位素238U只能用高能(>1MeV)中子进行裂变。这些材料被用来为热核反应堆提供燃料，因为它们能够维持核裂变链式反应。
可裂变物质吸收后发生裂变反应结合能热中子。它们不需要额外的动能来进行裂变。如果中子具有较高的动能，则该能量将转化为复合核的附加激发能。的复合核释放的结合能（238U + n)吸收后的热中子小于临界能，因此发生裂变反应不可能发生。以下几点描述了这种区别。
可裂变物质吸收后发生裂变反应结合能热中子。它们不需要额外的动能来进行裂变。如果中子具有较高的动能，则该能量将转化为复合核的附加激发能。的复合核释放的结合能（238U + n)吸收后的热中子小于临界能，因此发生裂变反应不可能发生。以下几点描述了这种区别。
参见:中子截面
截面对比
来源:JANIS(基于java的核信息软件)http://www.oecd-nea.org/janis/
可裂变/可增殖材料截面。总裂变截面的比较。
铀235。总裂变截面与辐射俘获截面的比较。
铀238。总裂变截面与辐射俘获截面的比较。
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一个核反应被认为是两个核粒子(两个核或一个核和一个核子)相互作用产生两个或多个核粒子或核射线的过程(伽马射线）.因此,一个核反应必须引起至少一种核素向另一种核素的转变。有时，如果一个原子核与另一个原子核或粒子相互作用而不改变任何核素的性质，这个过程被称为a核散射而不是核反应。也许最著名的核反应是核聚变反应这些元素为恒星和太阳提供能量。自然核反应也发生在宇宙射线和物质的相互作用中。
最值得注意的是人控核反应是裂变反应这发生在核反应堆。核反应堆设备是否启动和控制a核链式反应，但不仅仅是人造设备。世界上第一个核反应堆大约在20亿年前运行。的天然核反应堆在非洲加蓬的奥克洛形成，当时一个富含铀的矿床被地下水淹没，充当了一个中子慢化剂核连锁反应开始了。这些裂变反应持续了几十万年，直到链式反应无法继续进行。同位素的存在证实了这一点裂变产物气体氙气与按不同比例的u - 235/u - 238(天然铀的浓缩)。
参见:一个模拟核反应的软件。
标准核符号显示(见图)同位素的化学符号、质量数和原子序数。
如果初始原子核用一个和b，生成物原子核表示为c和d时，反应可表示为:
A + b→c + d
在许多情况下，用紧凑符号来描述核反应，而不是用上面那种形式的完整方程。这种形式(b, c) d等于A + b生产C + d。轻粒子常被缩写成这样，典型地p表示质子，n表示中子d表示氘核，α表示原子α粒子或者氦-4，β表示粒子或者电子，γ表示γ光子等。上面的反应可以写成10 b (n,α)7。
虽然数量可能核反应是巨大的，核反应可以按类型分类。大多数核反应都伴随着伽马辐射。一些例子是:
208Pb (n, n) 208Pb
40Ca (α， α′)40mCa
238U (n, n)
he (α， p) 7Li
235 u(n, 3n)裂变产物
3T (d, n) 4He
在粒子物理中,轻子数用来表示哪些粒子是轻子，哪些粒子不是。每一个轻子轻子数是1和每个反轻子轻子数是1。其他非轻子粒子的轻子数为0。轻子数是a守恒量子数在所有的粒子反应中。物理定律的轻微不对称使得在大爆炸中产生了轻子。轻子数守恒意思是每当某一代的轻子在反应中产生或破坏时，对应的反轻子相同的代要么被创造，要么被毁灭。必须补充的是，对于三代轻子，电子，介子和τ以及它们相关的中微子，每一代都有一个单独的要求。
想想……的衰败吧中子。这个反应只涉及第一代轻子:电子和中微子：
由于两边的轻子数必须等于零，并且发现该反应是一个三粒子衰变(释放的电子衰变是连续的而不是离散谱)，那么第三个粒子一定是电子反中微子。
其中n问夸克的个数和n问是反夸克的数量。
的重子数是一个守恒量子数在所有的粒子反应中。
的重子数守恒定律州:
所有进入的粒子的重子数之和等于反应产生的所有粒子的重子数之和。
例如，以下反应从未被观察到:
即使进入的质子有足够的能量和电荷，能量等等也是守恒的。这个反应不保留重子数，因为左边有B =+2，右边有B =+1。
另一方面，如果进入的质子有足够的能量(阈值能量= 5.6 GeV)，下面的反应(质子-反质子对的产生)确实会守恒B:
如所示，等式两边B = +2。
从这些反应和其他反应中，重子数守恒被确立为物理学的一个基本原理。
这个原则为……提供了依据质子的稳定性。由于质子是所有重子中最轻的粒子，所以它衰变的假设产物必须是非重子。因此，衰变将违反重子数守恒。必须补充的是，一些理论表明，质子实际上是不稳定的，半衰期很长(~10)30.它们会衰变成轻子。目前还没有实验证据表明质子衰变会发生。
有些守恒原理是从理论考虑中产生的，有些只是经验关系。尽管如此，任何没有被守恒定律明确禁止的反应通常都会发生，尽管速度可能很慢。这个期望是基于量子力学的。除非初始态和末态之间的势垒无限高，否则总会有一个非零概率一个系统将在它们之间进行转换。
为了分析非相对论性反应，注意支配这些反应的四个基本定律就足够了。
参考文献:Lamarsh，约翰R.介绍核工程第二版。
碰撞后中子和碳核的速度是多少?
解决方案:
这是一个弹性正面碰撞两个物体的不平等的质量。我们必须使用动量守恒定律和动能守恒定律，并将它们应用到两个粒子的系统中。
我们可以解这个方程组，也可以用前一节推导的方程。这个方程表明，无论质量是多少，两个物体在碰撞后的相对速度与碰撞前的大小相同(但方向相反)。
v '的负号告诉我们中子向后散射碳原子核，因为碳原子核要重得多。另一方面它的速度更慢大于它的初始速度。这个过程被称为中子适度它很大程度上取决于慢化核的质量。
在核物理和粒子物理中核反应的热力学是由核反应能量这个反应。的核反应能量这个反应的区别和之间群众的初始反应物和群众的最终产品，能量单位(通常是MeV)。
考虑一个典型的反应，在这个反应中，抛射物a和目标物a被两个产物B和B所取代，这也可以用我们之前用过的符号来表示，a + a→B + B或者用更简洁的符号表示，A (A, b)。
参见:E = mc2
的核反应能量这个反应的化学式为:
= [m]一个+ m一个(米b+ mBc)]2
哪个和过剩动能最终产品的:
Q = t最后- T最初的
= Tb+ TB——(T一个+ T一个）
对于生成物动能增加的反应Q是正的。正Q反应被称为放热(或放能的）.有能量的净释放，因为最终状态的动能大于初始状态的动能。
对于生成物动能降低的反应Q是负的。负Q反应被称为吸热(或吸热的)，它们需要净能量输入。
的核反应中释放的能量主要以以下三种方式之一出现:
少量的能量也可能以x射线的形式出现。一般来说，核反应的产物可能具有不同的原子序数，因此它们的电子壳层构型与反应物相比是不同的。随着电子重新排列内部跃迁x射线(具有精确定义的发射线的x射线)可能被发射出来。
参见:核反应能量计算器
DT聚变反应氘和氚的化学键特别有趣，因为它有可能为未来提供能源。计算反应核反应能量。
3T (d, n) 4He
反应物和生成物的原子质量为:
米(3.T) = 3.0160 amu
米(2D) = 2.0141 amu
米(1N) = 1.0087 amu
米(4他= 4.0026 amu
使用质能等价，我们得到核反应能量这个反应是:
Q = {(3.0160 + 2.0141) [12] - (1.0087 + 4.0026) [12]} x 931.481(兆电子伏/ 12)
= 0.0188 x 931.481 =17.5兆电子伏
氚有副产品吗核反应堆。核电站产生的氚大部分来自于硼酸，通常用作化学垫片，以补偿初始反应性的过剩。硼生成氚的主要反应如下:
10 b T (n, 2 *α)
这反应有同位素的中子10B主要途径是，氚在一次回路中的放射性如何pwr是生成的。注意，由于它的横截面，这个反应是一个阈值反应。
计算反应核反应能量。
反应物和生成物的原子质量为:
米(10B) = 10.01294 amu
米(1N) = 1.00866 amu
米(3.T) = 3.01604 amu
米(4他= 4.0026 amu
使用质能等价，我们得到核反应能量这个反应是:
Q = {(10.0129+1.00866) [amu] - (3.01604+2 × 4.0026) [amu]} x 931.481 [MeV/amu]
= 0.00036 × 931.481 =0.335兆电子伏
A高能光子（伽马射线在某些条件下是可以的喷射一个中子来自原子核。它发生在它的能量结合能原子核里的中子。大多数原子核的结合能超过6兆电子伏这比大多数伽马射线的能量都要高裂变。另一方面原子核很少具有足够低的结合能的实际的利益。这些都是:2D,9是，6李,7李和13C.从表格中可以看出最低阈值有9是1.666兆电子伏特和2D为2.226 MeV。
在氘的情况下，中子可以通过伽马射线(最小能量为2.22兆电子伏)与氘的相互作用产生:
的反应核反应能量计算如下:
反应物和生成物的原子质量为:
米(2D) = 2.01363 amu
米(1N) = 1.00866 amu
米(1H) = 1.00728 amu
使用质能等价，则该反应的q值为:
Q = {2.01363 [amu] - (1.00866+1.00728) [amu]} x 931.481 [MeV/amu]
= -0.00231 x 931.481 = -2.15 MeV
通过我们简单的小测验，你可以测试你的知识。
它是直观的:开始测试和回答问题。
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在核物理学中，核聚变是两个或两个以上的原子核以非常高的能量碰撞并融合成一个新原子核的核反应，例如氦。如果轻核被强迫在一起，它们将以产生能量的方式融合，因为组合的质量将小于单个核质量的总和。如果合并的核质量小于铁的峰值结合能曲线，那么核粒子就会比在较轻的原子核中更紧密地结合在一起，根据爱因斯坦的关系，质量的减少会以能量的形式表现出来。对于像铀和钍这样的元素，裂变会产生能量。聚变反应的能量密度比核裂变核聚变反应本身的能量是化学反应的数百万倍。
核聚变能力为未来提供了几乎取之不尽的能源的机会，但如果核聚变技术呈现出真正的科学和
工程挑战。对于人类潜在的核能来源，磁约束控制的氘氚聚变反应似乎是最有可能的方式。但现在这种方法也包含了一些难以克服的工程挑战。
太阳是一个炙手可热的明星。真的很热的明星。但是所有来自太阳的热和光都来自于太阳核心内部发生的核聚变反应。在太阳内部，压强是地球表面压强的百万倍，温度也超过1500万开尔文。巨大的引力为核聚变创造了这些条件。在地球上，不可能达到这样的条件。
太阳燃烧氢原子，它们融合在一起形成氦核，少量物质转化为能量。在其核心，太阳消耗了大约6.2亿公吨每秒钟消耗一个氢。氢被加热到很高的温度，它的状态就会从气态变成等离子态。通常情况下，核聚变是不可能发生的，因为带正电的原子核之间强烈的斥力使它们无法靠得足够近而发生碰撞和核聚变。如何克服库仑势垒的机理是由温度和压力决定的。在近距离处，引力使原子核融合在一起。
聚变反应氘和氚的化学键特别有趣，因为它有可能为未来提供能源。
3T (d, n) 4He
该反应每次产生约17兆电子伏特的能量，但需要一个巨大的温度4000万开尔文通过引力来克服库仑势垒，引力在近距离时更强。氘燃料是丰富的，但是氚必须从锂中繁殖出来，或者在氘循环的操作中得到。
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原子物理和核物理是不一样的。由于atomic和nuclear在标准英语中的同义用法，原子物理学这个术语经常与核能联系在一起。然而，物理学家区分原子物理学和核物理学。原子物理学把原子作为一个系统来研究原子核和电子。核物理学把原子核当作一个由a组成的系统来处理核子(质子和中子)。主要区别在于规模。而术语原子处理1Å = 10-10年m，其中Å是ångström(根据安德斯·乔纳斯Ångström)，术语核处理1飞米= 1费米= 10-15年m。
原子物理学把原子作为孤立系统来研究的物理学领域是什么电子和原子核。它主要关注原子核周围电子的排列以及这些排列变化的过程。这包括离子和中性原子，除非另有说明，为了本讨论的目的，应该假定原子一词包括离子。原子物理学也有助于理解分子的物理性质，但还有分子物理学，它描述了分子的物理性质。
原子体积原子的体积是关于15个数量级更大的比原子核的体积大。为铀原子,范德华半径是关于186 PM = 1.86 ×10−10米。范德华半径rw一个原子的半径是一个假想的硬球的半径，表示另一个原子最接近的距离。假设是球形的铀原子的体积大约是26.9×10−30米3.。但是这个“巨大”的空间主要被电子占据，因为核只占大约1721×10−45米3.的空间。这些电子加起来只占整个原子的一小部分(比方说0.05%)。
看起来，空间和事实上的物质是空，但事实并非如此。由于电子的量子性质电子不是点粒子，它们散布在整个原子上。经典的描述不能用于描述原子尺度上的事物。在原子尺度上，物理学家发现量子力学可以很好地描述这个尺度上的事物。在量子力学中，粒子的位置不是在一个精确的位置，它们是用a来描述的概率密度函数。因此，原子中的空间(电子和原子核之间)不是空的，而是由电子的概率密度函数(通常称为“电子云”)。
核物理是研究组成成分的物理学领域(质子和中子),原子核的相互作用。核物理学最常见的应用是核发电，但现代核物理学也包括粒子物理，它与核物理学密切相关。核物理学在核医学(正电子发射断层扫描、同位素生产等)、核磁共振成像、材料工程中的离子注入、地质考古中的放射性碳定年等诸多领域都有应用。
参见:基本粒子
物质世界是由各种物质的组合组成的亚原子或基本粒子。它们是物质的最小组成部分。除了暗物质以外，所有的物质都是由分子组成的，而分子本身又是由原子组成的。原子由两部分组成。原子核和电子云。电子绕着原子核旋转。原子核本身通常是由质子和中子组成的，但即使是质子和中子也是复合物体。在质子和中子内部，我们发现夸克。
夸克和电子是一些基本粒子。在各种实验中发现了许多基本粒子。如此之多，以至于研究人员不得不将它们组织起来，就像门捷列夫对元素周期表所做的那样。ob欧宝体育官方网站这是总结在一个理论模型(关于电磁，弱，强核相互作用)称为标准模型。在粒子物理学中，基本粒子或基本粒子是一种粒子子结构未知，因此不知道它是否由其他粒子组成。已知的基本粒子包括基本粒子费米子最基本的玻色子。费米子通常是“物质粒子”和“反物质粒子”。
玻色子通常是“力粒子”，介导费米子之间的相互作用。
然而，只有少数这些基本粒子(事实上，其中一些不是基本粒子)在核工程中非常重要。核工程或核反应堆理论使用的是众所周知的亚原子粒子，例如:
参见:基本粒子
原子由小而大的组成核被一团快速移动的云包围着电子。原子核是由质子和中子。原子核中质子的总数称为原子序数原子的Z象征。因此，原子核的总电荷是+Ze，其中e(基本电荷)等于1602 × 10-19年库仑。在中性原子中，围绕原子核运动的电子和质子一样多。正是电子负责原子的化学行为，并识别各种化学元素。
例如，氢(H)由一个电子和一个质子组成。原子核中中子的数量被称为中子数并且给定N象征。核子的总数，即原子核中的质子和中子，等于Z + n = a，其中A称为原子质量数。原子核中含有特定数量的质子和中子的各种原子被称为核素。每个核素用元素的化学符号(指定为Z)表示，原子质量数作为上标。
因此这个符号1H是指以单个质子为原子核的氢的核素。2H是原子核中有一个中子和一个质子的氢核素(2H也被称为氘或重氢)。原子，比如1H,2原子核中含有相同数量的质子但不同数量的中子(不同的A)的氢被称为同位素。例如，铀在自然界中有三种同位素238U,235U和234U。稳定同位素(加上一些不稳定同位素)是在自然界中自然存在的元素中发现的原子。然而，它们的数量并不相等。某一特定元素的某些同位素比其他同位素更丰富。例如，99.27%的自然存在的铀原子是同位素238U, 0,72%是同位素235U和0,0055%是同位素234原子的精确结构由原子理论和核结构理论。
参见:原子与核结构
式中，M是小质量，C是光速。
这是什么意思?如果产生核能(分裂原子，核聚合)，少量质量转化为纯能量(如动能、热能或辐射能)。
例子:
一克(一公斤的千分之一)质量的能量相当于:
89.9每人
2500万千瓦时(≈25吉瓦·h)
215亿千卡(≈21卡)
852亿btu
或以下物质燃烧释放的能量:
21.5千吨tnt当量能量(≈21 kt)
568,000美制加仑汽车汽油
任何时候产生能量，都可以从E = mc2的角度对过程进行评估。
今天我们利用核能来产生有用的热和电。2011年，核能提供了全球10%的电力。2007年，国际原子能机构报告有439个核动力反应堆在全球运营，在31个国家运营。它们生产基本负荷电力，不向大气中排放任何污染物(包括二氧化碳)。
参见:质量和能量
最一般的定义是辐射是一种能量，它来自一个源，通过某种物质或空间传播。光、热和声都是辐射的类型。这是一个很一般的定义，本文所讨论的那种辐射叫做电离辐射。大多数人只把辐射一词与电离辐射联系起来，但这是不正确的。辐射无处不在。在我们生活的世界里、周围和上面。它是一种围绕在我们周围的自然能量。它是我们自然世界的一部分，自地球诞生以来就一直存在。我们应该区分:
边界不是很明确，因为不同的分子和原子电离的能量不同。这是典型的电磁波。电磁波按频率(能量)递增、波长递减的顺序依次为:无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线辐射、x射线和伽马射线。伽马射线、x射线和光谱中较高的紫外线部分是电离辐射，而较低的紫外线、可见光(包括激光)、红外线、微波和无线电波被认为是非电离辐射。
电离辐射根据产生电离效应的粒子或电磁波的性质来分类。这些粒子/波具有不同的电离机制，可分为:
参见:辐射
核稳定是一个有助于确定同位素稳定性的概念。为了确定同位素的稳定性，需要找出中子与质子的比率。要确定同位素的稳定性，可以使用中子/质子比率(N/Z)。为了帮助理解这个概念，还有一张核素的图表，被称为Segre图表。这张图表显示了已知核素的原子数和中子数的函数图。从图表中可以看出有中子比质子多在核素中Z更大而不是20(钙)。这些额外的中子是较重原子核稳定所必需的。多余的中子有点像核胶。
原子核由质子和中子组成，它们相互吸引核力，而质子相互排斥电磁力因为它们带正电荷。这两种力相互竞争，导致原子核的各种稳定性。只有中子和质子的特定组合才会形成稳定的原子核。
中子使原子核稳定因为它们相互吸引并吸引质子，这有助于抵消质子之间的电斥力。因此，随着质子数量的增加，需要增加中子与质子的比例形成稳定的原子核对于给定数量的质子，如果中子过多或过少，生成的原子核就不稳定，会发生衰变放射性衰变。不稳定的同位素通过各种放射性衰变途径进行衰变，最常见的是α衰变、β衰变或电子捕获。许多其他罕见的衰变类型，如自发裂变或中子发射是已知的。值得注意的是，所有这些衰变途径都可能伴随着随后发射的伽马射线。纯粹的衰变是非常罕见的。
例子:
原子核，比如15哦，它们是缺少中子(由8个质子和7个中子组成)正电子衰变(正β衰变)。在这个过程中，原子核中的一个质子转化为中子、正电子和中微子。正电子和中微子被释放出来。质子的数量从8个减少到7个(中子的数量从7个增加到8个)，因此生成的原子核是氮的同位素，15N,这是稳定的。
另一方面原子核，比如19哦，哪有中子过剩，衰减负衰变发出一个负电子和一个反中微子。在这个过程中，原子核中的一个中子转变成一个质子。这样，质子的数量从8个增加到9个(中子的数量从11个减少到10个)，因此产生的原子核是氟的同位素，19F,这是稳定的。应该注意的是，在正或负的衰变中，原子质量数保持不变。
在元素周期表的前82种元素中，有80种的同位素被认为是稳定的。ob欧宝体育官方网站锝、钷和所有原子序数超过82的元素都是不稳定的，会通过放射性衰变而分解。没有未发现的重元素(原子序数超过110)是稳定的，因此铅被认为是最重的稳定元素。对于80种稳定元素中的每一种，都给出了稳定同位素的数量。例如，锡有10个这样的稳定同位素。
有80种元素至少有一种稳定同位素，但已知的化学元素有114到118种。98号元素之前的所有元素都是在自然界中发现的，其余被发现的元素都是人工制造的，它们的同位素都是高放射性的，半衰期相对较短。
铋、钍、铀和钚是原始的核素因为他们有半衰期长到足以在地球上被发现，而所有其他的都是由放射性衰变或者是在实验室合成的核反应堆。原始的核素是在地球上发现的核素，在地球形成之前就以目前的形式存在了。原始核素是宇宙大爆炸、宇宙起源以及太阳系形成之前发生的古代超新星爆炸的残留物。目前已知的这种核素只有288种。
放射性同位素的原子核不稳定。为了使中子和质子的排列更稳定，不稳定的原子核将自发衰变形成不同的原子核如果中子数在此过程中发生变化(质子数保留)，则形成不同的同位素并保留一种元素(例如中子发射)。如果质子数在这个过程中发生了变化(不同的原子序数)，那么就形成了一个不同元素的原子。原子核的这种分解被称为放射性衰变。在放射性衰变期间不稳定核自发随机分解衰变形成不同的原子核(或不同的能量状态——伽马衰变)，以原子粒子或高能射线的形式发出辐射这种衰变以一个恒定的、可预测的速率发生，这个速率被称为半衰期。稳定的原子核不会发生这种衰变，因此没有放射性。
参见:核稳定
核衰变(放射性衰变)当一个不稳定的原子通过发射失去能量时发生电离辐射。放射性衰变是随机过程在单原子的水平上，根据量子理论，不可能预测一个特定的原子何时会衰变。放射性衰变有很多种:
放射性原子核衰变的计算相对简单，因为所有衰变过程只有一条基本定律。这个定律指出，每单位时间内原子核衰变的概率是一个常数，与时间无关。这个常数叫做衰减常数用λ表示，“λ”。一定数量的原子(质量)的放射性衰变在时间上呈指数。
放射性衰变规律:N = N.e-λt
核衰变的速率也可以用半衰期。半衰期是指给定同位素失去一半放射性所需的时间。如果一种放射性同位素的半衰期是14天，那么它的一半原子将在14天内衰变。再过14天，剩下的一半就会腐烂，以此类推。半衰期包括百万分之一秒是高放射性的裂变产物对于长寿命的物质来说需要数十亿年(如天然存在的铀)。请注意,半衰期短，衰变常数大。半衰期短的放射性物质(在生产时)的放射性要大得多，但明显会迅速失去其放射性。不管半衰期是长是短，七个半衰期过后，剩下的活性都不到最初的1%。
放射性衰变定律也可用于活度计算或放射性物质质量计算:
(原子核数)N = N-λt(活动)A = A.e-λt(质量)m = m.e-λt
式中，N(粒子数)为样品中粒子总数，A(总活度)为放射性样品单位时间内的衰变次数，m为剩余放射性物质的质量。
参见:放射性衰变
核反应堆是启动和控制链式核反应的装置，但不仅仅是人造装置。世界上第一个核反应堆大约在20亿年前运行。的天然核反应堆形成于非洲加蓬的奥克洛，当时一个富含铀的矿床被地下水淹没，地下水起到了中子慢化剂的作用，核链式反应开始了。这些裂变反应持续了几十万年，直到链式反应无法继续进行。裂变产物氙的同位素的存在和铀235/铀238的不同比例(天然铀的浓缩)证实了这一点。
标准核符号显示(见图)同位素的化学符号、质量数和原子序数。
如果初始原子核用一个和b，生成物原子核表示为c和d时，反应可表示为:
A + b→c + d
在许多情况下，用紧凑符号来描述核反应，而不是用上面那种形式的完整方程。这种形式(b, c) d等于A + b生产C + d。轻粒子通常缩写为这种简写，通常p表示质子，n表示中子，d表示氘核，α表示粒子或氦-4，β表示粒子或电子，γ表示光子，等等。上面的反应可以写成10 b (n,α)7。
虽然数量可能核反应是巨大的，核反应可以按类型分类。大多数核反应都伴随着伽马辐射。一些例子是:
208Pb (n, n) 208Pb
40Ca (α， α′)40mCa
238U (n, n)
he (α， p) 7Li
235U (n, 3n)裂变产物
3T (d, n) 4He
为了本文的目的，注意支配这些反应的四个基本定律就足够了。
参考文献:Lamarsh，约翰R.介绍核工程第二版。
参见:核反应
A结合能通常是将整个系统拆分成不同部分所需的能量。众所周知，单独部分的总和通常比束缚系统具有更高的势能，因此束缚系统更稳定。束缚系统的产生往往伴随着随后的能量释放。我们通常根据这些能级来区分结合能:
在原子水平上原子的原子结合能来源于原子云中的电子与原子核中的核子(质子)的电磁相互作用。原子结合能是将原子分解成自由电子和原子核所需的能量。这通常被称为电离能。
在分子水平上分子的分子结合能来源于化学键中原子的键解离能。
在核层面核结合能是将原子核分解成其组成部分(质子和中子)所需的能量(以克服强核力)。
原子核的组成部分是中子和质子，它们统称为核子。原子核的质量在分离时总是小于组成原子核的质子和中子的质量之和。差值是指将原子核结合在一起的核结合能。根据爱因斯坦关系(E=m.c)2)，这个结合能正比于这个质量差，它被称为质量缺陷。
在核分裂或核聚变，原子核的一些质量被转化为巨大的能量，因此这些质量从原始粒子的总质量中消失了，而最终的原子核的质量就消失了。核的结合能是巨大的，大约是原子的电子结合能的一百万倍。
如果分裂释放能量，聚变释放能量，那么断点在哪里?为了理解这个问题，最好把结合能和一个核子联系起来，得到核结合曲线。每个核子的结合能不是线性的。结合能曲线在稳定区附近有一个峰值铁这意味着，要么比铁重的原子核分裂，要么比铁轻的原子核结合，都会产生能量。
铁峰后趋势逆转的原因是原子核的正电荷不断增加。电磁力的作用范围比强核力大。虽然强核力只束缚近邻，但每个质子的电磁力会排斥其他质子。
参见:结合能
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夸克和电子是一些基本粒子。在各种实验中发现了许多基本粒子。如此之多，以至于研究人员不得不将它们组织起来，就像门捷列夫对元素周期表所做的那样。ob欧宝体育官方网站这是总结在一个理论模型(关于电磁，弱，强核相互作用)称为标准模型。在粒子物理学中，基本粒子或基本粒子是一种粒子子结构未知，因此不知道它是否由其他粒子组成。已知的基本粒子包括基本粒子费米子最基本的玻色子。
参见:重子
参见:轻子
费米子通常是“物质粒子”和“反物质粒子”:
玻色子通常是“力粒子”，介导费米子之间的相互作用:
然而，只有少数这些基本粒子(事实上，其中一些不是基本粒子，例如中子由三个夸克组成)在核工程中非常重要。核工程或核反应堆理论使用的是众所周知的亚原子粒子，例如:
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