輻射防護知識
服務熱線Hotline
028-85586896
cdxhjs02@sina.com
Fax： 028-85535539
News
專業(yè)知識列表
核武器物理的基礎(chǔ)知識：核裂變的解釋
裂變和聚變是大規(guī)模核能之源，其中的每一種都是基本原子核現(xiàn)象，都與量子力學及相對論理論有關(guān)。裂變和聚變的聯(lián)合影響對現(xiàn)代社會的作用是巨大的和空前的。從本質(zhì)上說，裂變與a衰變相當類似，都是一個原子核分裂成互相飛離的兩個部分，都有一勢壘在起著阻止迅速衰變的作用。
在太陽上有聚變而沒有裂變。在地球上天然存在的元素中，自發(fā)裂變是極其稀少的?？茖W家前后經(jīng)過40年對放射性和原子核轉(zhuǎn)變的研究，沒有一個人曾看到過裂變。費米1934年曾經(jīng)用中子轟擊鈾-238得到了裂變產(chǎn)物而不認為是裂變，以為出現(xiàn)了一種超鈾元素。1938年哈恩和斯特拉斯曼重作了費米的實驗，在產(chǎn)物中得到了鋇（Z＝56）的明確的化學證明，他們拿不定主意是否是裂變產(chǎn)生的，所以沒有發(fā)表論文。首先正確解釋鈾核裂變的榮譽，屬于奧地利物理學家邁特內(nèi)與他的外甥弗里施。他們在1939年1月提出，受到中子轟擊而激發(fā)的鈾可以分裂成為幾乎相等大小的碎片。
裂變的發(fā)現(xiàn)猶如種子落入沃土。玻爾和惠勒以驚人的速度發(fā)表了關(guān)于裂變的理論。以同樣的速度，物理學家們抓住了它的實際潛力，開創(chuàng)了大規(guī)模釋放能量的研究。
要對裂變釋放能量的前景作出估計必須回答三個基本問題。
第一個問題：裂變中釋放出來的能量是多少？這個問題最容易回答：根據(jù)比結(jié)合能曲線，可以預期的答案是每個核子約1兆電子伏，或一次裂變事件約200兆電子伏。這個能量很快地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚c裂變事件的原子核過程無關(guān)，它對繼續(xù)發(fā)生裂變沒有多大關(guān)系。
第二個問題：哪些原子核是最可能裂變的？
第三個問題：在一次裂變事件中發(fā)射出多少中子？
1939年，玻爾和惠勒提出了原子核裂變的液滴模型。他們設(shè)想，通常的液體具有表面張力，這是由于表面分子只在一側(cè)受到其他分子的包圍，因此，比起內(nèi)部的分子它們所受到的束縛要小些。由于具有表面張力，一滴液體總是趨于球形以盡量減少其表面積。核子的行為類同于液體中的分子，原子核可以看成象一個球狀的小水珠，其中質(zhì)子和中子在不斷地運動著。這種運動使得原子核在某一瞬間會變成不規(guī)則的形狀。特別是當核內(nèi)受到某種能量的擾動，使原子核處于較高能量的激發(fā)態(tài)時，原子核變形就更厲害。像液滴一樣，原子核形狀的改變超過一定的臨界程度就會分裂。
重核中有兩個起作用的力：一個是核力，它使原子核凝聚在一起；另一個是庫侖力，它趨于把原子核拉開。吸引的核力產(chǎn)生一個有效表面張力，趨于維持原子核為近似的球形。質(zhì)子間的庫侖斥力趨于使原子核拉開。在臨界形變以下，表面張力占優(yōu)勢。超過臨界形變，庫侖斥力占優(yōu)勢。我們知道，核力支配著所有的原子核，但是，對于最重的原子核，核力僅能勉強控制住。如果一個鈾核從其正常形狀稍稍變形，則核力占優(yōu)勢，使之恢復到原有形狀。如果進一步變形，則斥力占優(yōu)勢，核將分裂為二（有時為三）。
在這兩種形變程度之間，有一勢壘。勢壘的大小取決于庫侖能和表面張力能的相對大小。庫侖能近似地與Z2/R成正比：
U庫～Z2/R
另一個有關(guān)系的能量是原子核的表面張力能。它與原子核的表面積（或原子核半徑的平方）成正比：
U表面～R2
因此比值U庫/ U表面與Z2/R3成正比。而R3與質(zhì)量數(shù)A成正比，從而可寫出
U庫/ U表面～Z2/ R3～Z2/A
玻爾認為這個比值可以作為裂變勢壘的重要參數(shù)。其值越大，斥力就越占優(yōu)勢，因而原子核裂變就越容易。因此Z2/A值大的情況相當于裂變勢壘低。考慮鈾的兩種主要同位素，對其中的每個核加一個中子：
235U + n = 236U：Z2/A = 35.9
238U + n = 239U：Z2/A = 35.4
由于這個小差別，236U的裂變就比239U容易些。實際情況確是如此，235U與慢中子作用就可發(fā)生裂變。如圖2.13所示。
還有一個區(qū)分兩個同位素裂變能力的標志性參數(shù)是激發(fā)能，它比勢壘參數(shù)更為重要。在原子核的比結(jié)合能曲線中有一個細微而不明顯的效應是，偶數(shù)A的原子核中，每個核子的結(jié)合能比其相鄰奇數(shù)A的原子核中的結(jié)合能稍大些。因此，235U俘獲一個慢中子后形成一個偶數(shù)A的核，它比238U俘獲一個慢中子后形成的奇數(shù)A核束縛得更緊密，而且可以提供更多的激發(fā)能。
這個差別非常重要。235U吸收一個慢中子形成236U，可以放出6.4兆電子伏的結(jié)合能，提供了足夠的能量以克服裂變勢壘。因此，235U不管吸收多大動能的中子，都會引起核裂變；而慢中子在核附近逗留的時間長，引起核裂變的機會也就更大。238U則不然，當它吸收一個慢中子形成239U后，只能放出4.8兆電子伏的結(jié)合能，不足以克服裂變勢壘。只有當入射中子的動能足夠大，當238U吸收后，入射中子的動能加上結(jié)合能足以克服裂變勢壘時，才能發(fā)生裂變。
入射中子剛剛能引起238U發(fā)生裂變的動能，稱為克服裂變勢壘的“閾能”（即產(chǎn)生裂變的最低能量）。因為慢中子引起238U裂變的機會（稱裂變截面）很小，而且裂變截面隨中子能量的變化不大，故很難說從哪一能量開始238U 剛好發(fā)生裂變。在核工程學中，有時取1.4兆電子伏為238U 的閾能，在一般教科書中取1.1兆電子伏作為能引起238U裂變的閾能。
用Z2/A這個裂變勢壘參數(shù)，可以猜測Z比92大的超鈾元素應該比鈾更加容易裂變。因為Z2在分子上，是二次方，變化大；而A在分母上，是一次方，相對變化小些。一旦能夠“制造”超鈾同位素，建造新的反應堆或制造炸彈，不就更容易了嗎?，F(xiàn)在考慮的實際同位素是钚-239（239Pu，Z＝94）。它是238U俘獲一個中子后經(jīng)過兩次衰變而來的，如圖2.14所示。
钚-239是一個高度可裂變的同位素：239Pu + n = 240Pu： Z2/A = 36.8
由于其Z2/A值較大，钚-240的裂變勢壘比每一種鈾的同位素都要低些。它和鈾-236一樣有一個偶數(shù)的A值，而偶數(shù)A值的好處是有大的中子結(jié)合能。因為钚有如此大的優(yōu)越性，所以研究和生產(chǎn)钚的技術(shù)發(fā)展很快。1939年钚還未被知曉和命名，而在1945年夏天就生產(chǎn)出了世界上第一顆钚炸彈。日本長崎是第一個遭受钚彈災難的城市。
