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原子核的裂变

铜臭 / 2022-08-12

德国化学家哈恩和斯特拉斯曼(Strssmann)于1939年在研究用中子照射鈾核时，发現所产生的新核中有放射性鋇。鋇是第56号元素，和鈾的原子序92相差很大。于是迈特納(Meitner)提出裂变的理論，认为一个鈾235核被个慢中子照射后，发生裂变，即分裂为大小可以比拟的两个碎核。同时有两三个中子射出，例如

²³⁵⁹²U+¹₀n(慢)→¹⁴¹₅₆Ba+₃₆Kr+(2-3)¹₀n

在云室中摄得的裂变过程見图27-17。后来的研究，知道裂变产物非常复杂，除Ba和Kr而外，也有

¹⁴⁰₅₄Xe+₃₈Sr;

₅₅Cs+₃₇Rb；

₅₇La+₃₅Br等等。

并且碎核还明鞭过儿步的β放射，才能收变力稳定核。现在已知的分裂产物有35种无素(从₃₀Zn到₆₄Gd)，放射性线有200种以上。

在上这裂变反应式中，最值得注意的是，一个中子射击进去，有两三个中子放射出来。实验指出，慢中子对于产生裂变是有效得多。如果把放射出来的快中子减速，那么这两三个慢中子又能再进行U²³⁵的裂变。依此类推，就形成了循环串联的裂变。由于裂变过程极为短暂，并且又是一触即发，因此叫做“雪崩式”的裂变，如图27-18所示。同时，原子核中所蕴藏的巨大能量，就可以釋放出来拌設法加以利用了。

1.裂变的能量

鈾核发生裂变时所疆出的能量，可估叶如下:中子射入U²³⁵核中，成为“复核”U²³⁶如果分裂为两个大小相近的碎核，那么各个的平均质量是118 (相不临两三个申子的逸出)。由图27-14 可见，质量236处的数值是7.8兆电子伏特，而118处的数值是8.5兆电子伏特。由此可以粗约計算裂变的能量Ef。

Ef≌2×118×8.5-236×7.6≌212兆电子伏特

就是說，每一个U²³⁵核的裂变伴随有二百多兆电子伏特的能量釋出。

2.减速剂和中子吸收截面

在本节前面已提到，若要使裂变反应可以循环继续下去，必须便裂变时射出的中子加以减速。中子和减速剂的核屡次碰撞后，中子的动能逐步减小，当然一个重要条件是减速剂不得把中子吸收掉。中子的“吸收截面”代表着中子被吸收的可能性，用“巴恩”(=10⁻²⁴厘来²)作为单位。如果把中子看作是一个几何点，那末它若打中一个核的“吸收藏面”内就被吸收掉，否則就只是有动能的傅递。在下表中给示若干同位素(或元素)的吸收截面，所喻的中子是慢中子，或称然中子，其速度假定为2.2公里/秒。由表可见，重水是最理想的减速剂，一般用99.8%D₂O;其次是石墨C,后者不得含硼B高于2x10⁻⁶。

表27-13 热中子吸收截面
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.中肯质量

天然鈾仅含0.715%U²³⁵,其余是U²³⁸。由裂变产生的大部分快中子打在U²³⁸上，不能发生裂变。如果一块鈾全部由U²³⁵組成，例如用本章27-11节中所述的方法来分离富集，那么如果那块鈾太小的話，裂变射出的中子还沒来得及和足够数量的U²³⁵核碰撞而变慢，就飞越出去了。但是如果那块鈾是够大的話，那末就能经过很多次来回碰撞，以致有可能把裂变过程串联继续下去。这样，当然仍然有很多中子逸出，但是只要中子的倍增系数大于1,裂变的鍵式反应就可能发生。这个大小，叫做中肯质量，或称临界大小。

“中肯质量”究竟有多大?要看U²³⁵的纯度而定。很純的U²³⁵可能只要約1公斤。对Pu²³⁹来說，情形也差不多。

目前所知能够自已继續串联裂变的重核，除上述两种外，还有U²³³。另一可能是Pu²⁴¹。

中肯质量是和原子彈的設計密切相关的。字宙钱中含有中子，不断打在U²³⁵或Pu²³⁹上。如果有两块不够中肯质量的U²³⁵或Pu²³⁹,在分开放的时候不发生什么事故。但当把它們拼攏在一起，立刻发生爆炸(雪崩式的鏈式核反应)，这就是原子彈設計的原理，見图27-19。在原子彈中，一般用炸药(TNT)把半爿U²³⁵冲击到另一牛爿U²³⁵上去而致爆炸。用中子反射剂(例如鈹)，可以大大减小“中肯质量”。寻常一个原子彈的爆炸能力，大約等于万吨TNT。

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