原子核裂变

原子核裂变是什么

　　原子核裂变简称核裂变，又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。是指由重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式。

　　只有一些质量非常大的原子核像铀(yóu)、钍(tǔ)等才能发生原子核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生原子核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生原子核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。

　　原子核裂变是在1938年发现的，由于当时第二次世界大战的需要，原子核裂变被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子dan。原子dan的巨大威力就是来自原子核裂变产生的巨大能量。目前，人们除了将原子核裂变用于制造原子dan外，更努力研究利用原子核裂变产生的巨大能量为人类造福，让原子核裂变始终在人们的控制下进行，核电站就是这样的装置。

原子核裂变的发现

　　与其他的物理发现不同，原子核裂变的发现完全是出人意料的。当哈恩和斯特拉斯曼发现铀元素被中子轰击后会导致钡元素的出现时，他们是如此震惊，以至于在宣布这一发现的论文中写道：“我们还没有准备好迈出如此巨大的一步，它与所有已知的核物理实验相背离”。

　　1932年英国物理学家查德威克发现了期待已久的中子。这是一个伟大的发现，诱发裂变反应的主角登场了。中子的发现具有非凡的意义，不仅完成了原子核是由质子和中子组成的核模型，而且为变革原子核提供了一个有力的武器。

　　先前人们是使用α粒子作为人射粒子轰击原子核的，但α粒子带正电荷，被轰击的原子核也带正电荷，必须克服库仑排斥力才能打人原子核。而中子不带电，可以长驱直入地打入原子核。因而，中子是一个研究原子核结构的理想“炮弹”。

　　科学家立即开始用中子去轰击各种元素，研究所引起的核反应。特别是意大利物理学家费米等人，按照元素周期表的顺序一个一个地轰击已知的各种元素，很快就获得了丰硕的成果。当用中子轰击²⁷Al时，生成²⁸Al，它是不稳定的原子核，经过一个β衰变成为²⁸Si。也就是说，经过中子轰击后铝变成了硅，原子序数增加了1。当用中子轰击²⁸Si时，同样原子序数也会增加1，硅会变成磷。

　　于是费米试图用中子轰击92号元素铀，来获得天然不存在的93号元素。很多科学家都做了“中子打铀”的实验，但这次没那么幸运了，反应产物相当复杂。当时以为中子进人铀的原子核合成了更重的超铀元素，费米还发表了文章说合成了93号新元素。

　　1938年11月10日，费米因“认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素”而获得了诺贝尔物理学奖。然而，这是诺贝尔奖的纰漏，其实费米得到的并不是“超铀”元素当然这并不影响费米是科学界公认的20世纪杰出的科学家，因为他的贡献是多方面的，其他成就也足以使他获得诺贝尔奖。并且犯此错误的不仅仅是费米一人，还有居里夫人的女儿和女婿约里奥·居里夫妇，他们也都做过中子轰击铀核的实验，却没有迈出关键的一步。

　　关于93号元素问题，在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。之所以如此是因为当时缺乏一种有效的手段来判定铀元素受到中子轰击后的产物。同年，德国的两位化学家哈恩与斯特拉斯曼，用化学方法精确地分离和检验了“中子打铀”的反应产物，他们惊奇地发现反应产物竟是原子量远小于铀的钡和斓等中等质量的元素，推翻了费米的实验结果。这是原子核的一种从未发现的现象，无法用原子核的衰变理论来解释:密度很高且坚硬无比的铀核，怎么会被能量很低的热中子炸成两半?

　　奥地利女物理学家迈特纳和她的侄子弗里希对哈恩的发现进行了反复分析，根据原子核的液滴模型，推断铀核发生了分裂。认为原子核好像一滴水，被中子轰击以后，可以分裂成两个小水滴，并根据爱因斯坦的质能公式E=mc²计算出，由于铀原子核裂变时的质量亏损要释放出约200兆电子伏特的能量，并把这种现象命名为原子核裂变。

　　困惑已久的谜团终于解决了。裂变现象的发现是科学史上Z重大的发现之一，它开启了人类利用原子核能量的大门。

原子核裂变的原理

　　原子核裂变释放能量是因为原子核中质量-能量的储存方式以铁及相关元素(见核合成)的核的形态Z为有效。从Z重的元素一直到铁，能量储存效率基本上是连续变化的，所以，重核能够分裂为较轻核(到铁为止)的任何过程在能量关系上都是有利的。如果较重元素的核能够分裂并形成较轻的核，就会有能量释放出来。然而，很多这类重元素的核一旦在恒星内部形成，即使在形成时要求输入能量(取自超新星爆发)，它们却是很稳定的。

　　不稳定的重核，比如铀-235的核，可以自发裂变。快速运动的中子撞击不稳定核时，也能触发裂变。由于裂变本身释放分裂的核内中子，所以如果将足够数量的放射性物质(如铀-235)堆在一起，那么一个核的自发裂变将触发近旁两个或更多核的裂变，其中每一个至少又触发另外两个核的裂变，依此类推而发生所谓的链式反应。这就是称之为原子dan(实际上是)和用于发电的核反应堆(通过受控的缓慢方式)的能量释放过程。

　　对于，链式反应是失控的爆炸，因为每个核的裂变引起另外好几个核的裂变。对于核反应堆，反应进行的速率用插入铀(或其他放射性物质)堆的可吸收部分中子的物质来控制，使得平均起来每个核的裂变正好引发另外一个核的裂变。

　　原子核裂变所释放的高能量中子移动速度极高(快中子)，因此必须透过减速，以增加其撞击原子的机会，同时引发更多原子核裂变。一般商用核反应堆多使用慢化剂将高能量中子速度减慢，变成低能量的中子(热中子)。商营核反应堆普遍采用普通水、石墨和较昂贵的重水作为慢化剂。

　　原子核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等才能发生原子核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生原子核裂变……，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生原子核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。

　　1克铀235完全发生原子核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。比原子dan威力更大的核武器是氢dan，就是利用核聚变来发挥作用的。核聚变的过程与原子核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。只有较轻的原子核才能发生核聚变，比如氢的同位素氘、氚等。核聚变也会放出巨大的能量，而且比原子核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。