1. 首頁 > 生活經驗 > >

核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

經驗分享生活經驗


核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖

從日常生活中我們知道，蒸汽凝結時要放出熱量，水分子結冰時也要放出熱量，這些熱量就是它們的分子之間互相結合時放出的「結合能，binding energy」 。按照愛因斯坦 (Einstein )質能關系式，這些結合過程也要發生質量虧損，但比化學反應釋放的能量還是低得多，所以虧損的質量根本無法察覺 。而化學反應所釋放的能量，主要來源于把原子保持在分子中的力，當兩個以上原子合攏在一起組成分子時，將組成共同的電子云把分子中的所有原子核籠罩在一起，與此同時釋放出能量，通常稱為化學「結合能」 。
特別是質量大的原子核，它們聚攏著為數眾多的核子，例如鈾238(23???U)，有 92 個質子和 146 個中子，彼此居然能擠成一團且在核內排列得如此緊密，也不因為質子間的靜電排斥力而飛散開，從而造成極大的核密度 。那么核子之間到底是一種什么樣的力把它們連接在一起呢？一般我們知道，除了質子之間的「靜電斥力」外，還有核子相互之間的「萬有引力」，但我們知道質子和中子的質量是那樣微小，其萬有引力是微不足道的，可忽略不計 。如果原子核內再沒有其他的力，那么比萬有引力強 倍的電磁力，將使原子核的質子向四面八方飛散 。然而，事實恰恰相反，各種元素的原子核在自然界中都能穩定地存在著，質子不僅沒有飛出核外，反而和其他質子、中子相互結合得很緊密，這就意味著核子之間還有一種遠比電磁力強得多的吸引力 。這種力稱為「強作用力」，是一種特別強大的短程作用力，是目前所知道最強大的作用力 。
說得具體一些，我們可以有兩種利用核能的途徑 。一種是把一個重核分裂成兩個中等核，這個重核的每個核子就要繼續發生質量虧損而放出能量 。例如，將鈾核用中子轟擊裂變成鋇和氪，
核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖
裂變前鈾核的比結合能為 7.6 MeV，而裂變后的中等核的比結合能為 8.5 MeV，兩者相差 0.9 Mev 。鈾核有 235 個核子，則總的能量差值就有 0.9×235 = 211.5 MeV 。由于裂變時還要放出中子，除去這部分能量外，也可得到 200 MeV的裂變能 。這種方法稱為「核裂變法」 。
核裂變原理
無論是核裂變還是核聚變，都是原子核內部的質子和中子發生了變化，兩者都能產生巨大的能量，所不相同的是重元素的裂變是受到中子轟擊后，重元素原子核裂變成 2-3 個比較輕的原子核，并釋放多余的中子，這些中子在撞擊其他原子核后將引起心的裂變，這就是「鏈式反應」的來源 。在重原子核裂變成較輕的原子核過程中，將會丟失部分質量，裂變的巨大能量就是從這丟失的質量中轉換而來的 。

核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖

核裂變是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式 。
另一種是把兩個輕核聚合成比較重的核，每個輕核的核子都要繼續發生質量虧損而放出能量 。例如，將氘和氚在特定條件下聚合成氦核并放出一個中子 。氦核的比結合能是 7.08 MeV，氘和氚的比結合能都小得多，它們要成為氦的成員，每個核子都要繼續虧損一部分質量，達到氦核的比結合能水平，其結果可得到 17.6 MeV的能量 。這個反應中每個核子平均放出的能量，比裂變能要大幾倍 。這種方法稱為「核聚合法」 。
核聚變原理
而核聚變則首先需要輸入強大的能量或者極高的壓力，讓原子核拋棄電子，才能和鄰近的原子核靠得更近，就會有更多的機會融合到一起，形成重原子核 。當然在這個過程中也會釋放多余的中子（有的則剛好沒有），它們也不出意外的會丟失部分質量，比例約為 0.7%，比核裂變的比例要高得多 。

核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖

核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量 。
注：
原子核是由 2 個質子和 2 個中子組成，它的質量虧損如圖 1 所示（圖中 u 是原子質量單位，p 代表質子，n 代表中子）：

核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖

氦核的質量虧損
按照 Einstein 的質能關系式計算，氦核放出的結合能：
△E=△mc2=28.30MeV
科學家把這種由核子結合成原子核時所放出的能量叫做核的「總結合能」 。如上所說氦核的總結合能就是 28.30 MeV 。核子數越多，原子核越大，總結合能也越大，但這個量值不好比較，為了比較各種原子核結合的緊密程度，采用每個核子的「平均結合能」更方便 。平均結合能也稱「比結合能」，其數值可用總結合能除以原子核的核子個數 A（質量數）得出 。如上面氦原子核的平均結合能是 28.30/4＝7.085 MeV 。實驗測定氦相鄰的鋰原子核的平均結合能小于 6 MeV，比結合能小些，說明鋰核比氦核結合得松一些 。
科學家們利用質譜儀對各種元素的質量精確測定后，就能從質量虧損算出不同原子核的總結合能 。由總結合能除以該元素的質量數 A 就得出“比結合能” 。繪制成曲線如圖。

核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖

核的比結合能曲線

核裂變原理是什么 核裂變是什么回事

文章插圖

圖中橫坐標從 A＝25 以后畫得密些，因為曲線變化平滑 。從圖中可以看出，質量數少于 20 的核，它們的比結合能的變化比較復雜，并出現了幾個值得注意的峰值 。其中氦、碳、氮和氧的比結合能峰值分別為 7.08，7.69，7.48 和 7.98 MeV 。相反，鋰和氘的比結合能都很小，分別為 5.34 和 1.12 MeV 。隨著質量數的增加，在 40～100 之間的最大比結合能約為 8.7 MeV 。A 再大時，比結合能又逐漸下降，直到鈾核以后為 7.6 MeV左右 。
比結合能曲線圖也反應不同原子核內，每個核子的平均質量各不相同 。它的變化規律剛好和比結合能曲線相反 。因為比結合能小的，表明結合時質量虧損少，所以每個核子剩下的質量就多 。例如氘核，比結合能最小，它的每個核子的平均質量就最大 。結合前質子和中子的平均質量為 1.0080u，結合后核子平均質量還有 1.0068u，平均每個核子只虧損了 0.0012u，所以放出比結合能 1.12 MeV 。由此可知，核的比結合能曲線是很有用的 。從它可以看出原子核的許多性質，從它可以找到釋放核能的方法，還可以計算出大概可以得到多少能量 。
【核裂變原理是什么 核裂變是什么回事】核裂變和核聚變的結合能變化 。反應后轉化成的核的結合能小于反應前核的結合能 。無論聚變還是裂變，因為反應中有核能放出，根據愛因斯坦質能方程知，反應中有質量虧損，反應后轉化成的核的總質量小于反應前核的總質量，反應后轉化成的核的比結合能大于反應前核的比結合能 。