How big is 铀原子核?

铀原子核是铀原子的中心部分，含有 92 个质子；在最常见的铀-238 中，还含有 146 个中子。它的直径约为 12 飞米，这一数值是其电荷半径（电荷分布的平均半径）的两倍。一飞米是十亿分之一米的百万分之一（10⁻¹⁵ 米）。

大小

原子核没有明确的边界，因此其大小用电荷半径来表示。国际原子能机构（IAEA）的核半径数据表给出铀-238 的电荷半径为 5.857 飞米，精度优于 0.1%，据此可得原子核直径为 11.7 飞米。少三个中子的铀-235 略小一些，直径为 11.67 飞米。

铀原子核中的中子数远多于质子数。质子之间因带同种电荷而相互排斥，而所有质子和中子都通过强核力吸引各自相邻的粒子。在重核中，需要额外的中子来抵消电排斥力，防止原子核分裂。

大小比较

• 铀-238 原子核的宽度约为单个质子（约 1.7 飞米）的 7 倍，尽管它含有 238 个质子和中子。
• 它的宽度约为氦原子核（约 3.4 飞米）的 3.5 倍，但所含粒子数约是后者的 60 倍。
• 如果把铀原子核放大到篮球那么大，同样比例下的质子直径约为 3.4 厘米，大约是网球宽度的一半。
• 氢原子约 0.1 纳米宽，是铀原子核宽度的约 9000 倍。一纳米是十亿分之一米。

极其缓慢的衰变

铀-238 具有放射性，但衰变速度极其缓慢。它的半衰期——也就是样本中一半发生衰变所需的时间——为 44.7 亿年。地球的年龄约为 45.4 亿年，因此地球形成时所含的铀-238，如今大约还剩下一半。

铀-238 通过放出一个 α 粒子（即氦原子核）发生衰变，随后经过一系列衰变，最终变成铅-206。地质学家利用这条衰变链，以及从铀-235 开始的类似衰变链，来测定岩石乃至地球本身的年龄。

铀的裂变

铀-235 约占天然铀的 0.72%。它的原子核在受到中子撞击时很容易裂变。每次裂变都会释放能量并产生更多中子，这些中子又能继续引发其他原子核裂变，形成链式反应。美国的核电站使用铀-235 含量富集到 3%–5% 的燃料，控制这种反应来产生热量发电。

参考资料

• 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.