How big is 鈾原子核?

鈾原子核是鈾原子的中心。它含有92個質子，而在最常見的鈾-238中，還有146個中子。它的直徑大約是12飛米，這個數字是電荷半徑（電荷分布的平均半徑）的兩倍。一飛米是一公尺的千兆分之一（10⁻¹⁵公尺）。

大小

原子核沒有明確的邊界，因此它的大小是以電荷半徑表示。對於鈾-238，國際原子能總署（IAEA）所整理的原子核半徑表列出的數值是5.857飛米，準確度優於0.1%。這使得原子核直徑為11.7飛米。少了三個中子的鈾-235，則略小一些，直徑為11.67飛米。

鈾原子核的中子數遠多於質子數。質子之間會因電荷而互相排斥，而所有的質子和中子則會透過強核力吸引鄰近的粒子。在重原子核中，需要額外的中子，才能防止電荷的排斥力把原子核撐破。

大小比較

• 鈾-238原子核的直徑大約是單一質子（直徑約1.7飛米）的7倍，儘管它總共含有238個質子和中子。
• 它的直徑大約是氦原子核（約3.4飛米）的3.5倍，但所含的粒子數量卻多達其60倍。
• 如果把鈾原子核放大到籃球的大小，同比例的質子直徑大約會是3.4公分，差不多是網球寬度的一半。
• 氫原子直徑約0.1奈米，大約是鈾原子核的9000倍寬。一奈米是一公尺的十億分之一。

極為緩慢的衰變

鈾-238具有放射性，但它的衰變速度極為緩慢。它的半衰期，也就是讓一份樣本有一半發生衰變所需的時間，長達44.7億年。地球的年齡大約是45.4億年，因此地球形成之初所含有的鈾-238，如今大約還剩下一半。

鈾-238會放出一顆α粒子（也就是氦原子核）而發生衰變，接著再經過一連串的衰變，最終變成鉛-206。地質學家利用這條衰變鏈，以及從鈾-235開始的類似衰變鏈，來測定岩石乃至地球本身的年齡。

鈾的分裂

鈾-235大約占天然鈾的0.72%。它的原子核在受到中子撞擊時，很容易分裂。每一次分裂都會釋放能量並產生更多中子，這些中子又能繼續分裂其他原子核，形成連鎖反應。美國的核能發電廠會控制這種連鎖反應，利用濃縮到含3%至5%鈾-235的燃料來產生熱能以發電。

參考資料

• Nuclear Charge Radii. International Atomic Energy Agency, 2013.
• Live Chart of Nuclides: uranium-238 ground state. International Atomic Energy Agency.
• Uranium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
• Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
• Age of the Earth. U.S. Geological Survey, 2007.
• Nuclear explained. U.S. Energy Information Administration.
• The nuclear fuel cycle. U.S. Energy Information Administration.
• Proton rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
• Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
• Bohr radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.