核嬗变方程式的平衡:HSC 物理指南
学习如何运用核子数与电荷守恒来平衡核嬗变方程式,并进一步应用质能守恒与 Q 值分析核反应的能量变化。
假设你得知镭-226 会放出一个 α 粒子,但缺少了子核的资讯:
\[ {}^{226}_{88}\mathrm{Ra}\rightarrow ?+{}^{4}_{2}\mathrm{He} \]
继续阅读之前,先试著预测缺少的是哪个原子核。你只需要知道两个事实:核子的总数不会改变,而总电荷也不会改变。因此,子核必须具有
\[ A=226-4=222 \]
以及
\[ Z=88-2=86. \]
原子序 86 的元素是氡,因此缺少的原子核是 \({}^{222}_{86}\mathrm{Rn}\)。
这就是平衡核嬗变方程式的基本概念。粒子的种类可以改变,但各项数量的核算必须吻合。
01两套守恒帐目
将核反应方程式视为两套分开的帐目,会让解题容易得多。
在以下符号表示法中:
\[ {}^{A}_{Z}X, \]
- \(A\) 是核子数:质子数 + 中子数。
- \(Z\) 是电荷数:质子数。
- \(X\) 是元素,其种类由 \(Z\) 决定。
你可以把 \(A\) 想成原子核内核子的总人数,而把 \(Z\) 想成带有正电荷的徽章数量。粒子离开原子核时,必须带走相应数量的两者。
当你开始思考能量时,这个比喻就不再适用。核子的数量并不能告诉你原子核有多重。这需要稍后进行质能检验。
对于任何核反应方程式,
\[ \sum A_{\text{反应前}} = \sum A_{\text{反应后}} \]
以及
\[ \sum Z_{\text{反应前}} = \sum Z_{\text{反应后}}. \]
这是你首先要进行的两项检查。
各种辐射会造成什么变化
| 过程 | 核子数 \(A\) 的变化 | 核电荷数 \(Z\) 的变化 |
|---|---|---|
| α 衰变,\({}^{4}_{2}\mathrm{He}\) | \(-4\) | \(-2\) |
| β⁻ 衰变,\({}^{0}_{-1}e\) | \(0\) | \(+1\) |
| β⁺ 衰变,\({}^{0}_{+1}e\) | \(0\) | \(-1\) |
| γ 衰变,\(\gamma\) | \(0\) | \(0\) |
β 衰变的两列一开始可能看起来有点奇怪。放出的 β 粒子具有 \(A=0\),因为电子或正电子并不是核子。它下方的数字代表它在核反应方程式中的电荷贡献,而不是原子序。
例如,β⁻ 衰变在核子层级上可以表示为
\[ {}^{1}_{0}n \rightarrow {}^{1}_{1}p + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e. \]
中子变成质子,因此核子的总数仍然是 1,而核电荷增加 1。反中微子具有 \(A=0\) 和 \(Z=0\),所以不会影响这两项守恒关系。
对于 β⁺ 衰变,情况则相反:
\[ {}^{1}_{1}p \rightarrow {}^{1}_{0}n + {}^{0}_{+1}e + \nu_e. \]
核子的数量同样保持不变,但核电荷减少 1。
如果你经常混淆 β 衰变的符号表示法,可以参考 β 衰变指南,其中分别说明了各种粒子的变化。
γ 衰变又有所不同。γ 光子会携带能量,但不带有核子数或电荷:
\[ {}^{A}_{Z}X^\* \rightarrow {}^{A}_{Z}X+\gamma. \]
星号表示原子核处于激发能态。原子核放出 γ 射线时,不会因此变成另一种元素。
02平衡任何核反应方程式的可靠方法
当方程式中缺少某个粒子或原子核时,请依照以下顺序处理。
步骤 1:写出所有已知粒子的 \(A\) 和 \(Z\) 数值。
步骤 2:平衡 \(A\)。
找出缺少的核子数。
步骤 3:平衡 \(Z\)。
找出缺少的电荷数。
步骤 4:辨认元素。
利用元素周期表,根据缺少的 \(Z\) 找出对应元素。
步骤 5:检查粒子种类。
结果是否对应 α 粒子、β 粒子、中子、质子或其他原子核?
步骤 6:如果题目提供质量或能量数据,进行质能检验。
许多原本正确的答案,往往就在最后这一步出错。
03平衡质能:质量本身并不守恒
这里有一项重要的修正。
说核反应中的质量守恒并不正确。
总质能守恒。
核反应产生的产物,其静止质量总和可能小于原来系统的静止质量。减少的静止质量已转化为其他形式的能量,例如动能或光子能量。
物体的静止能量为
\[ E_0=mc^2, \]
其中 \(m\) 是质量,而 \(c\) 是光速。
对于核反应,一个实用的物理量是 Q 值:
\[ Q= \left( \sum m_{\text{反应前}} - \sum m_{\text{反应后}} \right)c^2. \]
如果 \(Q>0\),反应会释放能量。
如果 \(Q<0\),反应需要从外界输入能量。
因此,一个反应即使通过 \(A\) 和 \(Z\) 的检验,仍然可能是吸热反应。
这就是不能混淆 \(A\) 与实际质量的原因。质量数 \(A\) 是核子数量的整数计数,并不是以原子质量单位测得的质量。
实际原子核质量之间的微小差异,与核束缚能及质量亏损有关。若要深入了解两者的关系,请参阅质量亏损:缺失的质量如何转化为核束缚能。
\(Q\) 的正负号究竟代表什么?
正的 \(Q\) 表示产物的静止质量总和小于反应物,因此有能量可以释放。
负的 \(Q\) 表示产物的静止质量总和较大,因此必须输入额外能量。
然而,\(Q>0\)并不代表衰变发生得有多快。即使某种衰变在能量上可行,其半衰期仍然可能非常长。
对于初始动能可忽略的衰变,释放的能量可以表现为:
- 子核的动能,
- α 或 β 粒子的动能,
- 中微子或反中微子的能量,
- γ 射线能量,
- 或以上几种形式的组合。
因此,不要自动假设全部的 \(Q\) 值都由 α 或 β 粒子带走。
04范例:α 衰变与释放的能量
一个钋-210 原子核经历 α 衰变,形成铅-206。
已知:
- \(m({}^{210}\mathrm{Po})=209.982874\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{206}\mathrm{Pb})=205.974465\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{4}\mathrm{He})=4.002603\,\mathrm{u}\)
- \(1\,\mathrm{u}c^2=931.5\,\mathrm{MeV}\)
写出平衡的方程式,并计算释放的能量。
步骤 1:平衡核子数。
α 衰变会移除四个核子:
\[ 210=206+4. \]
步骤 2:平衡电荷数。
α 粒子的电荷数为 \(+2\):
\[ 84=82+2. \]
因此,平衡后的方程式为
\[ {}^{210}_{84}\mathrm{Po} \rightarrow {}^{206}_{82}\mathrm{Pb} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}. \]
步骤 3:求出质量差。
\[ \begin{aligned} \Delta m &= 209.982874 - (205.974465+4.002603)\\ &=0.005806\,\mathrm{u}. \end{aligned} \]
步骤 4:将质量差转换为能量。
\[ \begin{aligned} Q &=\Delta m c^2\\ &=(0.005806)(931.5\,\mathrm{MeV})\\ &=5.41\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
步骤 5:解释结果。
这次衰变释放 \(5.41\,\mathrm{MeV}\) 的能量。这是由静止质量差所提供的总能量,但不一定全部由 α 粒子带走;子核也必须产生反冲,而处于激发态的子核还可能进一步放出辐射。
05范例:平衡后仍需要能量的反应
一个 α 粒子撞击铝-27,产生磷-30 和一个中子。
已知:
- \(m({}^{27}\mathrm{Al})=26.981539\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{4}\mathrm{He})=4.002603\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{30}\mathrm{P})=29.978314\,\mathrm{u}\)
- \(m(n)=1.008665\,\mathrm{u}\)
- \(1\,\mathrm{u}c^2=931.5\,\mathrm{MeV}\)
写出平衡的方程式,并判断反应是释放能量还是吸收能量。
步骤 1:平衡核子数。
反应物包含
\[ 27+4=31 \]
个核子。如果中子的 \(A=1\),磷原子核的 \(A\) 必须是 30。
步骤 2:平衡电荷数。
反应物的总电荷数为
\[ 13+2=15. \]
磷的 \(Z=15\),而中子的 \(Z=0\),所以电荷守恒。
方程式为
\[ {}^{27}_{13}\mathrm{Al} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \rightarrow {}^{30}_{15}\mathrm{P} + {}^{1}_{0}n. \]
步骤 3:比较总质量。
\[ \begin{aligned} m_{\text{反应前}} &=26.981539+4.002603\\ &=30.984142\,\mathrm{u}, \end{aligned} \]
而
\[ \begin{aligned} m_{\text{反应后}} &=29.978314+1.008665\\ &=30.986979\,\mathrm{u}. \end{aligned} \]
产物的静止质量总和较大。
步骤 4:计算 \(Q\)。
\[ \begin{aligned} Q &=(30.984142-30.986979) (931.5\,\mathrm{MeV})\\ &=(-0.002837)(931.5\,\mathrm{MeV})\\ &=-2.64\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
步骤 5:解释正负号。
这是吸热反应。在整体能量收支中,至少需要额外提供 \(2.64\,\mathrm{MeV}\) 的能量。
请注意这里的陷阱:\(A\) 和 \(Z\) 都完全守恒。这并不代表反应会释放能量。守恒定律告诉你哪些物理量必须守恒;质能计算则告诉你所提出的变化究竟有能量盈余还是能量不足。
06继续之前,值得先检查的常见错误
| 容易误信的想法 | 实际情况 |
|---|---|
| 「质量数就是原子核的质量。」 | \(A\) 是核子的计数,不是测量所得的质量。 |
| 「β 衰变会改变 \(A\)。」 | 中子变成质子,或质子变成中子,因此 \(A\) 保持不变。 |
| 「α 衰变只会改变元素。」 | 它会同时改变 \(A\) 和 \(Z\):\(A-4\)、\(Z-2\)。 |
| 「γ 衰变会改变原子序。」 | γ 衰变既不改变 \(A\),也不改变 \(Z\)。 |
| 「只要 \(A\) 和 \(Z\) 守恒,反应就能发生。」 | 反应仍可能有 \(Q<0\),代表必须输入能量。 |
| 「正的 \(Q\) 代表全部能量都由放出的粒子带走。」 | 能量可能由多种产物和辐射共同分配。 |
| 「质量消失了。」 | 静止质量减少,代表其他形式的能量增加。 |
一个特别有用的考试习惯,是在思考时将以下两个问题分开:
\(A\) 和 \(Z\): 方程式是否平衡?
\(Q\): 能量收支是否可行?能量会流向哪里?
这两项检查彼此相关,但并不是同一项检查。
07题目与解答
题目 1
完成核反应方程式,并辨认缺少的原子核:
\[ {}^{226}_{88}\mathrm{Ra} \rightarrow {}^{A}_{Z}X + {}^{4}_{2}\mathrm{He}. \]
解答 1
缺少的原子核是 \({}^{222}_{86}\mathrm{Rn}\)。
平衡核子数:
\[ 226=A+4 \]
因此
\[ A=222. \]
接著平衡电荷数:
\[ 88=Z+2 \]
因此
\[ Z=86. \]
原子序 86 的元素是氡,所以
\[ \boxed{ {}^{226}_{88}\mathrm{Ra} \rightarrow {}^{222}_{86}\mathrm{Rn} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} } \]
直接认出镭-226 是 α 衰变的放射性核种,或许是很诱人的捷径;但利用守恒定律的方法更可靠,因为即使你不熟悉某种同位素,也能使用这种方法。
题目 2
磷-32 经历 β⁻ 衰变。
- 写出完整的核反应方程式,包括反中微子。
- 已知 \(m({}^{32}\mathrm{P})=31.9739073\,\mathrm{u}\) 和 \(m({}^{32}\mathrm{S})=31.9720712\,\mathrm{u}\),计算 \(Q\) 值。
- 解释为什么质量数保持为 32,而原子序由 15 增加至 16。
使用 \(1\,\mathrm{u}c^2=931.5\,\mathrm{MeV}\)。
解答 2
平衡后的方程式为
\[ {}^{32}_{15}\mathrm{P} \rightarrow {}^{32}_{16}\mathrm{S} + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e, \]
这次衰变会释放 \(1.71\,\mathrm{MeV}\) 的能量。
步骤 1:平衡 \(A\)。
\[ 32=32+0+0. \]
因此,核子数保持不变。
步骤 2:平衡 \(Z\)。
\[ 15=16-1+0. \]
子核多了一个质子,但放出的电子具有 \(-1\) 的电荷数,因此总电荷守恒。
步骤 3:计算质能差。
对于 β⁻ 衰变,使用原子质量时,电子的质量核算已包含在表列的原子质量中,因此
\[ Q= \left[ m({}^{32}\mathrm{P}) - m({}^{32}\mathrm{S}) \right]c^2. \]
因此,
\[ \begin{aligned} Q &=(31.9739073-31.9720712) (931.5\,\mathrm{MeV})\\ &=(0.0018361\,\mathrm{u}) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=1.71\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
步骤 4:解释结果。
这次衰变释放 \(1.71\,\mathrm{MeV}\) 的能量。能量会由 β 粒子、反中微子和子核的反冲共同分配。因此,假设电子的动能必定是 \(1.71\,\mathrm{MeV}\),是错误的。
关键的物理变化是中子变成质子。核子并没有凭空产生;只是其中一个中子转变成了一个质子。
题目 3
一个 α 粒子射向氮-14,产生氧-17 和一个未知粒子:
\[ {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \rightarrow {}^{17}_{8}\mathrm{O} + ? \]
- 辨认未知粒子。
- 已知原子质量为
\[ m({}^{14}\mathrm{N})=14.003074\,\mathrm{u}, \]
\[ m({}^{4}\mathrm{He})=4.002603\,\mathrm{u}, \]
\[ m({}^{17}\mathrm{O})=16.999132\,\mathrm{u}, \]
以及
\[ m({}^{1}\mathrm{H})=1.007825\,\mathrm{u}, \]
计算 \(Q\) 值。
3. 一名学生说:「这个反应不可能成立,因为 \(Q\) 值是负的。」请解释这个说法的错误。
使用 \(1\,\mathrm{u}c^2=931.5\,\mathrm{MeV}\)。
解答 3
未知粒子是质子 \({}^{1}_{1}p\),而反应的 \(Q=-1.19\,\mathrm{MeV}\),因此这是一个吸热反应,但并不代表它违反守恒定律或禁止发生。
步骤 1:平衡 \(A\)。
反应物包含
\[ 14+4=18 \]
个核子。
氧-17 包含 17 个核子,因此缺少的粒子必须具有
\[ A=18-17=1. \]
步骤 2:平衡 \(Z\)。
反应物的总电荷数为
\[ 7+2=9. \]
氧-17 的 \(Z=8\),因此缺少的粒子必须具有
\[ Z=9-8=1. \]
具有 \(A=1\) 和 \(Z=1\) 的粒子是质子:
\[ {}^{1}_{1}p. \]
因此,平衡后的方程式为
\[ {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \rightarrow {}^{17}_{8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}p. \]
步骤 3:计算质量差。
由于题目提供的是原子质量,可以一致地使用氢-1 原子的质量作为质子项的质量;方程式两侧的电子核算会互相抵消。
\[ \begin{aligned} m_{\text{反应前}} &=14.003074+4.002603\\ &=18.005677\,\mathrm{u}, \end{aligned} \]
而
\[ \begin{aligned} m_{\text{反应后}} &=16.999132+1.007825\\ &=18.006957\,\mathrm{u}. \end{aligned} \]
因此
\[ \Delta m = 18.005677-18.006957 = -0.001280\,\mathrm{u}. \]
步骤 4:计算 \(Q\)。
\[ \begin{aligned} Q &=(-0.001280\,\mathrm{u}) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=-1.19\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
步骤 5:解释结果。
负号表示必须额外提供 \(1.19\,\mathrm{MeV}\) 的能量,才能使反应在能量上可行。
这名学生的错误,是把守恒定律与能量释放视为同一件事。这个反应确实遵守核子数和电荷守恒,只是存在静止质量能量不足的情况。
题目 4
某次 α 衰变的 \(Q\) 值为 \(5.60\,\mathrm{MeV}\),假设子核处于基态。
在实验中,测得 α 粒子的动能为 \(4.90\,\mathrm{MeV}\),随后还观测到一个 \(0.70\,\mathrm{MeV}\) 的 γ 射线。忽略原子核的反冲。
- 子核最初是否处于基态?
- 子核的激发态比基态高多少能量?
- 解释为什么加入 γ 射线不会改变 \(A\) 或 \(Z\) 的平衡。
解答 4
子核最初处于高出基态 \(0.70\,\mathrm{MeV}\) 的激发态,而 γ 射线带走了这部分激发能。
步骤 1:比较可用能量与 α 粒子的能量。
总 \(Q\) 值为
\[ 5.60\,\mathrm{MeV}. \]
α 粒子带走
\[ 4.90\,\mathrm{MeV}. \]
因此,剩余能量为
\[ 5.60-4.90=0.70\,\mathrm{MeV}. \]
由于忽略反冲,这部分剩余能量储存在激发态的子核中,之后以 γ 光子的形式释放。
因此,子核最初所处的能态比基态高
\[ 0.70\,\mathrm{MeV} \]
。
衰变过程为
\[ {}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y^\* + {}^{4}_{2}\mathrm{He}, \]
接著
\[ {}^{A-4}_{Z-2}Y^\* \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y+\gamma. \]
步骤 2:检查 γ 射线。
光子的
\[ A=0 \]
而且
\[ Z=0. \]
因此,在方程式中加入 \(\gamma\),不会改变核子数或核电荷的平衡。
一个很容易想到的答案是:α 粒子应该获得全部 \(5.60\,\mathrm{MeV}\)。但这忽略了一个关键:原子核可以将能量以激发能的形式储存在内部。即使 \(A\) 和 \(Z\) 保持不变,质能守恒仍然会将这部分能量计算在内。
题目 5
原子核 \({}^{210}_{83}\mathrm{Bi}\) 可以经历一次 α 衰变和一次 β⁻ 衰变,最终形成 \({}^{206}_{82}\mathrm{Pb}\)。题目没有指定两次衰变的先后次序。
本题使用以下四舍五入后的原子质量:
- \(m({}^{210}\mathrm{Bi})=209.984120\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{210}\mathrm{Po})=209.982873\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{206}\mathrm{Tl})=205.976110\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{206}\mathrm{Pb})=205.974465\,\mathrm{u}\)
- \(m({}^{4}\mathrm{He})=4.002603\,\mathrm{u}\)
使用 \(1\,\mathrm{u}c^2=931.5\,\mathrm{MeV}\)。假设所有原子核均处于基态,并忽略中微子质量及反冲。这些同位素质量是经四舍五入的标准核数据值。
求出:
- 两种可能的衰变顺序。
- 每种顺序中各次衰变的 \(Q\) 值。
- 沿每条路径释放的总能量。
- 为什么两条路径在每个步骤中释放的能量可能不同,但总能量释放量却相同。
解答 5
两种衰变顺序在能量上都可行,但它们将总共 \(6.57\,\mathrm{MeV}\) 的能量分配到两个步骤的方式不同。
步骤 1:先尝试 β⁻ 衰变。
β⁻ 衰变会使 \(A\) 保持不变,而 \(Z\) 增加 1:
\[ {}^{210}_{83}\mathrm{Bi} \rightarrow {}^{210}_{84}\mathrm{Po} + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e. \]
接著,钋-210 经历 α 衰变:
\[ {}^{210}_{84}\mathrm{Po} \rightarrow {}^{206}_{82}\mathrm{Pb} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}. \]
因此,第一条路径为
\[ \boxed{\mathrm{Bi\!- \!210} \rightarrow \mathrm{Po\!- \!210} \rightarrow \mathrm{Pb\!- \!206}}. \]
步骤 2:计算第一条路径中 β⁻ 衰变的 \(Q\) 值。
使用原子质量,
\[ \begin{aligned} Q_{\beta^-} &= (209.984120-209.982873) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=(0.001247\,\mathrm{u}) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=1.16\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
步骤 3:计算 α 衰变的 \(Q\) 值。
\[ \begin{aligned} Q_{\alpha} &= (209.982873 -205.974465 -4.002603) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=(0.005805\,\mathrm{u}) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=5.41\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
因此,第一条路径释放
\[ 1.16+5.41=6.57\,\mathrm{MeV}. \]
步骤 4:现在尝试先进行 α 衰变。
α 衰变会使
\[ A\rightarrow A-4 \]
以及
\[ Z\rightarrow Z-2. \]
因此,
\[ {}^{210}_{83}\mathrm{Bi} \rightarrow {}^{206}_{81}\mathrm{Tl} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}. \]
接著,β⁻ 衰变会产生
\[ {}^{206}_{81}\mathrm{Tl} \rightarrow {}^{206}_{82}\mathrm{Pb} + {}^{0}_{-1}e + \bar{\nu}_e. \]
因此,第二条路径为
\[ \boxed{\mathrm{Bi\!- \!210} \rightarrow \mathrm{Tl\!- \!206} \rightarrow \mathrm{Pb\!- \!206}}. \]
步骤 5:计算第二条路径中 α 衰变的 \(Q\) 值。
\[ \begin{aligned} Q_{\alpha} &= (209.984120 -205.976110 -4.002603) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=(0.005407\,\mathrm{u}) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=5.04\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
步骤 6:计算 β⁻ 衰变的 \(Q\) 值。
\[ \begin{aligned} Q_{\beta^-} &= (205.976110-205.974465) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=(0.001645\,\mathrm{u}) (931.5\,\mathrm{MeV/u})\\ &=1.53\,\mathrm{MeV}. \end{aligned} \]
因此,这条路径释放
\[ 5.04+1.53=6.57\,\mathrm{MeV}. \]
步骤 7:解释这个看似矛盾的结果。
两条路径的总能量相同:
\[ \boxed{Q_{\text{总}}\approx6.57\,\mathrm{MeV}} \]
。
然而,每个步骤的能量不同,因为中间产物是不同的原子核。
在先进行 β 衰变的路径中,中间产物是 Po-210,因此第一步的质量差取决于 Bi-210 和 Po-210 的质量。
在先进行 α 衰变的路径中,中间产物是 Tl-206,因此第一步的质量差取决于 Bi-210、Tl-206 以及 α 粒子的质量。
一个容易产生的错误论点是:「起始和结束的原子核相同,所以每一步释放的能量也应该相同。」这忽略了中间态。能量取决于该特定步骤所涉及的各个状态的质量。
总能量仍然相同的原因其实很简单:将两个步骤的 \(Q\) 值相加时,中间原子核的质量会互相抵消。最后只剩下初始状态、最终状态,以及整个过程中总共放出的粒子。
这正是质能守恒在整条核嬗变链中发挥作用的方式,而不只是逐一套用在每个方程式上。
当这种核算方式变得熟练之后,下一个值得学习的步骤,就是运用相同的 \(Q\) 值概念,理解为什么核分裂、核融合和放射性衰变会释放能量,即使核子本身并没有消失。