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原子核的裂變


銅臭 / 2022-08-12

   德國化學家哈恩和斯特拉斯曼(Strssmann)于1939年在研究用中子照射鈾核時，發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的新核中有放射性鋇。鋇是第56號元素，和鈾的原子序92相差很大。于是邁特納(Meitner)提 出裂變的理論，認為一個鈾235核被個慢中 子照射后， 發(fā)生裂變，即分裂為大小可以比擬的兩個碎核。同時有兩三個中子射出，例如

²³??²U+¹?n(慢)→¹?¹??Ba+??Kr+(2-3)¹?n
在云室中攝得的裂變過程見圖27-17。后來的研究，知道裂變產(chǎn)物非常復雜，除Ba和Kr而外，也有
¹????Xe+??Sr;
??Cs+??Rb；
??La+??Br等等。
并且碎核還明鞭過兒步的β放射，才能收變力穩(wěn)定核。 現(xiàn)在已知的分裂產(chǎn)物有35種無素(從??Zn到??Gd)，放射性線有200種以上。

  在上這裂變反應式中，最值得注意的是，一個中子射擊進去，有兩三個中子放射出來。實驗指出，慢中子對于產(chǎn)生裂變是有效得多。如果把放射出來的快中子減速，那么這兩三個慢中子又能再進行U²³?的裂變。依此類推，就形成了循環(huán)串聯(lián)的裂變。由于 裂變過程極為短暫，并且又是一觸即發(fā)，因此叫做“雪崩式”的裂變，如圖27-18所示。同時，原子核中所蘊藏的巨大能量，就可以釋放出來拌設法加以利用了。
1.裂變的能量
  鈾核發(fā)生裂變時所疆出的能量，可估葉如下:中子射入U²³?核中，成為“復核”U²³?如果分裂為兩個大小相近的碎核，那么各個的平均質(zhì)量是118 (相不臨兩三個申子的逸出)。由圖27-14 可見，質(zhì)量236處的數(shù)值是7.8兆電子伏特，而118處的數(shù)值是8.5兆電子伏特。由此可以粗約計算裂變的能量Ef。
Ef≌2×118×8.5-236×7.6≌212兆電子伏特
就是說，每一個U²³?核的裂變伴隨有二百多兆電子伏特的能量釋出。
2.減速劑和中子吸收截面
  在本節(jié)前面已提到，若要使裂變反應可以循環(huán)繼續(xù)下去，必須便裂變時射出的中子加以減速。中子和減速劑的核屢次碰撞后，中子的動能逐步減小，當然一個重要條件是減速劑不得把中子吸收掉。中子的“吸收截面”代表著中子被吸收的可能性，用“巴恩”(=10?²?厘來²)作為單位。如果把中子看作是一個幾何點，那末它若打中一個核的“吸收藏面”內(nèi)就被吸收掉，否則就只是有動能的傅遞。在下表中給示若干同位素(或元素)的吸收截面，所喻的中子是慢中子，或稱然中子，其速度假定為2.2公里/秒。由表可見，重水是最理想的減速劑，一般用99.8%D?O;其次是石墨C,后者不得含硼B(yǎng)高于2x10??。
表27-13 熱中子吸收截面
元素 吸收截面（巴恩） 元素 吸收截面（巴恩）

H

D

C

0.328

0.00057

0.0045

O

B

Cd

<0.0002

750

2400
3.中肯質(zhì)量
  天然鈾僅含0.715%U²³?,其余是U²³?。由裂變產(chǎn)生的大部分快中子打在U²³?上，不能發(fā)生裂變。如果一塊鈾全部由U²³?組成，例如用本章27-11節(jié)中所述的方法來分離富集，那么如果那塊鈾太小的話，裂變射出的中子還 沒來得及和足夠數(shù)量的U²³?核碰撞而變慢，就飛越出去了。但是如果那塊鈾是夠大的話，那末就能經(jīng)過很多次來回碰撞，以致有可能把裂變過程串聯(lián)繼續(xù)下去。這樣，當然仍然有很多中子逸出，但是只要中子的倍增系數(shù)大于1,裂變的鍵式反應就可能發(fā)生。這個大小，叫做中肯質(zhì)量，或稱臨界大小。
  “中肯質(zhì)量”究竟有多大?要看U²³?的純度而定。很純的U²³?可能只要約1公斤。對Pu²³?來說，情形也差不多。
  目前所知能夠自已繼續(xù)串聯(lián)裂變的重核，除上述兩種外，還有U²³³。另一可能是Pu²?¹。
  中肯質(zhì)量是和原子彈的設計密切相關的。字宙錢中含有中子，不斷打在U²³?或Pu²³?上。如果有兩塊不夠中肯質(zhì)量的U²³?或Pu²³?,在分開放的時候不發(fā)生什么事故。但當把它們拼攏在一起，立刻發(fā)生爆炸(雪崩式的鏈式核反應)，這就是原子彈設計的原理，見圖27-19。在原子彈中，一般用炸藥(TNT)把半爿U²³?沖擊到另一牛爿U²³?上去而致爆炸。用中子反射劑(例如鈹)，可以大大減小“中肯質(zhì)量”。尋常一個原子彈的爆炸能力，大約等于萬噸TNT。

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