【物理拓展阅读】重核的裂变

19.6 重核的裂变 素材一、核裂变链式反应的发现1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核，使氮原子嬗变成了氧原子，首次实现了原子核人工嬗变，把一种化学元素变成了另一种化学元素，被誉为当代炼金术.卢瑟福的一部著作取名就叫“新炼金术”.1932年，卢瑟福的学生查得威克发现中子.由于中子是电中性的，不受静电力的影响，因此很适合作为“炮弹”去轰击原子核.1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝，产生了一个天然不存在的放射性元素即磷的同位素，这个同位素是不稳定的，产生之后很快蜕变为稳定元素硅，同时放出正电子.这一实验的重大意义在于，它首次人工产生了放射性元素.迄今为止，虽然原子物理学仍在很快发展，但人们还看不到原子能实际利用的可能性.最先敲开原子大门的卢瑟福在1933年的一次演说时说：“一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量，这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的.把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已.”爱因斯坦也作如是观，当记者问他原子能是否可能被实际利用，他回答说：“那就像夜里在鸟类稀少的野外捕鸟一样.”最伟大的科学家都没料到原子能时代已经近在咫尺.约里奥居里夫妇的实验激励实验物理学家们致力于轰击原子核的工作.1934年，意大利物理学家费米（19011954年）改用新发现的中子去逐个轰击元素周期表上的元素原子，到氟时终于得到了放射性同位素，在短短几个月内发现了数十种放射性同位素.费米还意外地发现，在中子源与被轰击的银金属之间放一块石蜡后，所激发的核反应更为强烈，这就是说，经过减速后，中子引致核反应的能力更强了.这一发现被认为是原子时代的“真正起点”.费米因此而获1938年诺贝尔物理学奖.费米的研究小组继续沿着元素周期表往下实验.轰到铀时，他们猜想应该能得到一个原子序数为93的超铀元素，但结果有些异常，但他们还是以为出现了超铀元素，未对异常现象进一步深究.后来，有不少其他核物理学家同时发现了异常现象.主要的异常是，用中子轰击之后的铀产生了许多新的放射性元素，而这些元素在周期表中并不与铀邻近.德国女化学家诺达克提出，在中子轰击下，铀分裂成几块，只有这样才能解释新出现的放射性元素与铀并不邻近的“奇怪”现象.但这一观点不被人们接受，因为看起来，慢中子能量这样小，怎么能将铀的核打碎呢？1938年，德国物理学家哈恩（18791968年）受约里奥居里夫人实验报告的启发，也重做了有关的实验，并且确信铀嬗变后出现的确实是钡、镧等这样一些与铀相距甚远的元素.哈恩对实验结果感到十分迷惑，便将这些结果和疑问写信告诉了奥地利女物理学家迈特纳（18781968年）.迈特纳提出了一个大胆的猜想：铀核在俘获了一个中子后分裂成两个大致相等的部分，她称这一过程为“分裂核”，玻尔后来改称为“核裂变”.她认为裂变过程要发生质量亏损，根据爱因斯坦的质能关系式，裂变应将放出大量的能量.迈特纳的侄儿弗里希将姑母的这个想法告诉了玻尔，并说自己要着手验证这个想法.玻尔当时正准备起程去美国开会，刚一到美国，弗里希就电告实验已经证实了迈特纳的想法.玻尔立即将消息告诉了与会的物理学家们，引起了强烈的轰动，有的人连报告都没有听完就赶回去做实验.原子核裂变的实验事实很快就得到了公认.哈恩为此获得1944年诺贝尔物理奖.核裂变的发现很自然促使人们想到链式反应的可能性.所谓链式反应就是，当中子轰击铀核使核发生分裂时，又有新的中子产生从而再轰击别的铀核，使这一反应像链条一样一环扣一环的持续下去.费米在得到核裂变的消息后，当即提出了链式反应的概念，并预言一个重核裂变成两个轻核时一定会出现多余的中子.约里奥居里夫妇率先证实了链式反应的可能性，他们发现，链式反应速度非常之快.就在第二次世界大战爆发前两天，玻尔和惠勒指出，铀235比铀238更能发生裂变，而慢中子更能引起裂变.释放原子核能的理论和实验依据已经齐备，科学家们已经清楚地认识到，只要链式反应一开始，无比巨大的能量就会在极短的时间内爆发出来.二、核裂变的机理及链式反应的条件由于较重的原子核核子平均质量较大，其稳定程度较小，比较容易吸收其他粒子.如当中子打进铀235后，形成一个新的处于激发态的核，由于其中核子的剧烈运动，核子间的距离增大，核子之间的吸引力（核力）迅速减小，不足以克服质子之间的库仑斥力，核就分裂成两部分，产生裂变.一个铀核裂变产生的中子又不断引起其他铀核的裂变，就形成了链式反应.但维持链式反应要有一定的条件.如果每次裂变放出的中子平均有一个能再度引起裂变反应，或者说一代裂变中子的总数不少于前一代的中子数，链式反应就能维持下去.由于裂变中放出的中子有的可能从裂变物质中漏失出去，有的可能被裂变物质吸收而没有产生裂变，也有的可能被裂变物质中所含的杂质吸收，所以链式反应未必能持续地进行下去.要维持链式反应，就要减少裂变物质中的杂质（最好使用纯铀235），还要增大裂变物质的体积，也就是说要维持链式反应就存在一个裂变物质的最小体积，这个体积叫链式反应的临界体积.参加裂变反应的裂变物质体积越大，中子的漏失越少，裂变物质达到一定体积(临界体积)时，链式反应就可以持续下去.跟临界体积相对应的裂变物质的质量，叫临界质量.纯铀235的临界体积(球形)，直径只有4.8 cm，相应的临界质量只有1 kg左右.核反应堆，由于堆型的不同，临界质量可以从几千克到几百千克.三、超能量的核裂变铀原子核发生裂变时会释放出异乎寻常的巨大能量，比一般放射性现象放出的能量多得多.但是，使裂变成为一种可怕现象的原因，不仅仅是这种极大的能量，更重要的是在发生核裂变过程中会释放出中子.后来，许多物理学家的研究表明，铀发生原子核链式反应的几率是惊人的巨大.“链式反应”实际上也是一种很常见的现象.一张纸燃烧就是一种链式反应.火柴提供了开始燃烧所需要的能量，一旦开始燃烧，就能为继续燃烧不断提供能量，并使火焰越燃越大.铀原子核的链式反应也是如此，一个中子使一个铀原子核分裂，从而释放出两个中子，这两个中子再使两个铀原子核分裂，产生4个中子.这种过程不断进行下去，就会在极短的时间内产生巨大的能量.据物理学家估计，一克铀裂变时产生的能量相当于燃烧3 t煤，产生的爆炸力相当于20 t TNT炸药.后来，在此基础上，研究出了原子弹.1945年7月16日，在美国新墨西哥州的一个实验场，世界上第一颗原子弹爆炸成功，其爆炸力相当于两万t TNT炸药的爆炸力.1964年10月16日，我国自行研制的第一颗原子弹也实验成功了，从而使我国成为世界上第五个核国家.核裂变不仅可用于军事目的制造原子弹、核动力潜艇等，而且可用于民用，造福人类.现在原子能发电已在我国和世界许多国家变为现实.利用原子能发电，不仅可以节省大量煤炭、石油等资源，而且占用耕地少，不排放污染大气的二氧化碳、二氧化硫等气体，对保护资源、保护环境、节省运力等均有好处.目前，辐射加工业作为一项高新技术，已在许多科学技术发达的国家蓬勃发展起来.在我国也得到了高速发展.谈到原子能的放射性和辐射源，许多人往往与原子弹联系