標籤:核子

核裂變,是一個重原子的原子核分裂為兩個或更多較輕原子核、並在分裂時兩到三個自由中子並釋放巨大能量的過程。裂變時釋放的能量是相當巨大的,1千克鈾-235的全部核的裂變將產生20,000兆瓦小時的能量(足以讓20兆瓦的發電站運轉1,000小時),與燃燒300萬噸煤釋放的能量一樣多。

裂變反應
裂變反應
當熱中子(它的動能跟常溫下氣體分子的動能差不多)進入一些具有奇數中子的重原子核(23592U,23392U,23994Pu)內時,裂變就可能發生。重核分裂時產生兩個較小的核和兩個或更多個中子
(23592U平均產生2.5個中子)以及許多能量。典型的核裂反應如有:
23592U 10n—→14156Ba 9236Kr 310n 能量
23592U 10n—→10342Mo 13150Sn 210n 能量
式中10n是中子。
從上面的核反應方程來看,同一種核可能不只按一種方式分裂。裂變產物如14156Ba和9236Kr還能放射β粒子(0-1e)和γ射線(00γ),直到最後變成穩定的同位素。
14156Ba—→0-1e 00γ 14157La
9236Kr—→0-1e 00γ 9237Rb
這些反應的產物還能繼續放出β粒子,在幾個步驟之後,變成穩定的同位素,分別為14159Pr和9040Zr。
能裂變的23592U在天然鈾礦中只佔0.7%,其餘的99.3%都是不能被熱中子分裂的23892U。反應堆里用的鈾棒是天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量佔2~4%)製成的。裂變產生的是速度很大的快中子,很容易被鈾235俘獲而不發生裂變,必須設法把快中子變為慢中子。因此,要在鈾棒周圍放上叫做減緩劑的物質,它們不吸收或很少吸收中子,使快中子跟它們碰撞后,能量減小,速度減緩。常用的減緩劑有石墨、重水和普通水。如果放出的快中子被減緩速度,它們就能引起其他重原子發生裂變,這些核放出9個中子再引起9個鈾原子核裂變,這些裂變產生的27個中子再產生81個中子,……。這個過程叫做鏈式反應。在一定體積內,鈾樣品應具有足夠的量維持鏈反應,這最低的樣品量叫做臨界質量。
發生裂變時放出的巨大能量,可以按著名的愛因斯坦質能關係式E=mc2計算。這裡,E是來自一定質量m損失的能量,c是光速。如果使彼此分開的中子、電子和質子結合成任一特定的原子,就會發生質量虧損。例如,根據各組成粒子的質量能算出一個42He原子質量是4.032982u。而由42He原子的實測質量是4.002604u,所以質量虧損是0.030378u。由於原子比彼此分開的中子、質子和電子更穩定,原子處於較低的能級。因此,假定42He原子由分開的質子、電子、中子構成,則每個原子損失的0.030378u將以能量的形式釋放出來。跟質量虧損相當的能量叫做原子核結合能。結合能和鍵能類似,兩者都是把整體(原子核或分子)拆散成基本組分所需能量的量度。彼此分開的核粒子比它們在核內結合時有更大的質量。
原子序數在30~63之間的元素比起非常輕和非常重的元素,每個核粒子有較大的質量虧損,這意味著最穩定的核存在於原子序30~63的元素之間。由於它們相對穩定性較好,絕大部分的核裂變產物都是原子序數為中間的元素。因此,當發生裂變並生成較小的更穩定的核時,這些粒子的總質量減小,質量必然要轉變為能量。
1kg23592U或23994Pu裂變時釋放的能量約相當於20000tTNT。
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