第13章：裂變化學(xué)裂變產(chǎn)額的測量； 第13章：裂變化學(xué)研究內(nèi)容； 核裂變的發(fā)現(xiàn)是核科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。 1939年，O. Hahn和F.發(fā)現(xiàn)了裂變現(xiàn)象； 1942年12月，E.費(fèi)米等人在美國芝加哥建造了世界上第一座鈾石墨反應(yīng)堆，實(shí)現(xiàn)了人類掌控原子能的首次壯舉； 1945年，美國試爆了第一顆原子彈，隨后又試爆了氫彈； 由此啟動(dòng)了核武器的研制； 1954年，前蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站，開創(chuàng)了和平利用原子能的新時(shí)代。 1947年，中國核物理學(xué)家錢三強(qiáng)和何澤輝首次發(fā)現(xiàn)三重裂變，即除了裂變產(chǎn)生的兩種中等質(zhì)量碎片外，還存在很輕的碎片——粒子。 第13章：裂變化學(xué)：裂變化學(xué)的研究內(nèi)容； 裂變化學(xué)：它是核化學(xué)的一個(gè)分支。 它以裂變核素和裂變產(chǎn)物為研究對象，以放射化學(xué)方法為研究手段，以裂變規(guī)律為研究目的。 的一門學(xué)科。 主要研究內(nèi)容：原子核裂變； 裂變產(chǎn)物的衰變鏈； 裂變產(chǎn)物的化學(xué)狀態(tài)； 裂變化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法； 裂變產(chǎn)額的測量； 裂變的質(zhì)量分布； 裂變的電荷分布； 裂變產(chǎn)物的提取及綜合利用。 第十三章 裂變化學(xué)核的裂變 第十三章 裂變化學(xué)核的裂變 從上圖所示的比結(jié)合能曲線可以看出，中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能大于重核。 根據(jù)質(zhì)量虧缺原理，當(dāng)重原子核裂變成較輕原子核時(shí)釋放能量，當(dāng)輕原子核聚集成較重原子核時(shí)也釋放能量。
同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重核裂變，只有較重的原子核才會(huì)發(fā)生裂變反應(yīng)。 核裂變分為兩類：自發(fā)裂變和誘發(fā)裂變。 自發(fā)裂變是基態(tài)原子核在沒有外來粒子轟擊的情況下自行裂變。 例如，252Cf是重要的自發(fā)裂變核，其自發(fā)裂變分支比例僅占總衰變率（衰變）的3%。 自發(fā)裂變和衰變是重核衰變的兩種不同方式。 兩人互相競爭。 原子自發(fā)裂變的半衰期是原子自發(fā)裂變概率的度量。 發(fā)生自發(fā)裂變的半衰期長的核素發(fā)生自發(fā)裂變的概率較小，反之亦然。 第十三章 裂變化學(xué)核裂變 （一）較輕的錒系核素自發(fā)裂變的半衰期較長，232Th的半衰期為1020a； 隨著質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)的增加，其半衰期迅速縮短，如252Cf的半衰期僅為60.5d； （2）對于偶數(shù)和偶數(shù)原子核（質(zhì)子和中子數(shù)為偶數(shù)），自發(fā)裂變的半衰期隨著Z/A值的增大而趨于減??； (3)對于同一元素，同位素之間的自發(fā)裂變半衰期差異很大。 (4)奇數(shù)A核的自發(fā)裂變半衰期比相鄰的偶數(shù)和偶數(shù)核長。 對于給定元素，隨著該元素較重同位素區(qū)域的 Z/A 值減小，偶偶核自發(fā)裂變半衰期趨于縮短。 第十三章 裂變化學(xué) 核裂變誘發(fā)裂變：是指重原子核在某些入射粒子的轟擊下，其能量增加到裂變勢壘頂部的裂變。
與自發(fā)裂變不同，誘發(fā)裂變是核反應(yīng)的一種形式。 這是一個(gè)極其復(fù)雜的反應(yīng)過程，其中一個(gè)原子核經(jīng)過劇烈的變化重新組合成兩個(gè)較小的原子核。 誘發(fā)重核裂變的入射粒子可以是中子，也可以是具有一定能量的帶電粒子，如p、d等。高能光子也能誘發(fā)重核裂變，稱為光裂變。 在原子核的誘發(fā)裂變中，由中子引起的誘發(fā)裂變是最重要的。 由于中子與靶核的相互作用不受庫侖勢壘阻擋，能量很低的中子可以進(jìn)入核內(nèi)激發(fā)靶核并引起裂變。 在裂變過程中，釋放出中子，從而形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 這就是原子彈和反應(yīng)堆的理論基礎(chǔ)。 第十三章 裂變化學(xué) 核裂變的裂變 核裂變液滴模型 核模型認(rèn)為，原子核就像一個(gè)均勻帶電的液滴，原子核中的每個(gè)核子就像液滴中的一個(gè)分子。 液滴模型的應(yīng)用基于兩個(gè)事實(shí)：（1）核內(nèi)力之間的平均結(jié)合能與核子數(shù)量成正比，核子之間的相互作用力飽和，這類似于原子核的飽和。液體中的分子力 (2) 原子核中原子核所占的體積 它是守恒的，反映了核密度的飽和度，類似于液體的不可壓縮性。 由于原子核中的中子不帶電，而質(zhì)子帶正電，因此原子核的液滴模型將原子核視為帶電液滴來解釋原子核的裂變。 核裂變的情況類似于一個(gè)液滴在外力的作用下分裂成兩個(gè)較小的液滴。 在核裂變過程中，原子核也發(fā)生一系列的變形。
圖解 第十三章 裂變化學(xué) 核裂變的裂變 核裂變的情況類似于一個(gè)液滴在外力作用下分裂成兩個(gè)較小的液滴。 在核裂變過程中，原子核也會(huì)發(fā)生一系列變形。 核裂變的過程大致可分為三個(gè)階段，兩遍：三個(gè)階段：第一階段是從復(fù)合核形成到鞍點(diǎn)；第二階段是從復(fù)合核形成到鞍點(diǎn)； 第二階段是從鞍點(diǎn)到斷點(diǎn)； 第三階段是破發(fā)點(diǎn)之后； 兩遍：鞍點(diǎn)：裂變核變形到必須分裂成兩塊的階段的狀態(tài)； 它決定了原子核的裂變。 斷點(diǎn)：兩塊之間不能發(fā)生交換的狀態(tài)。 它決定了核裂變后裂變碎片的分布。 核裂變中的幾個(gè)物理量勢能面： 形變核的半徑為： 第十三章裂變化學(xué) 當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，核的裂變描述對稱形變； 當(dāng)n取奇數(shù)時(shí)，描述的是不對稱變形。 對于對稱的小變形，主要認(rèn)為P平面上的一些等能線可以代表變形勢能隨變形參數(shù)的變化。 它被稱為核形變勢能面。 可裂變參數(shù)：液滴模型認(rèn)為變形過程中勢能的變化主要是庫侖能和表面能的變化。 玻爾和給出了小變形時(shí)橢球核的庫侖能和表面能。 第十三章裂變化學(xué) 原子核的裂變用E來表示原子核變形過程中勢能的變化。 那么：引入一個(gè)可裂變參數(shù)：可以變成：當(dāng)可裂變參數(shù)為1時(shí)，E0，說明裂變核變形的結(jié)果使得核變形勢能增大，說明這種原子核是當(dāng)它是球形時(shí)是穩(wěn)定的。
當(dāng)裂變性參數(shù)為0時(shí)，表明變形的結(jié)果會(huì)降低變形核的勢能，說明這種核在為球形核時(shí)是不穩(wěn)定的，一旦變形就不可能恢復(fù)到原來的形狀發(fā)生輕微變形。 第13章：當(dāng)裂變化學(xué)=0時(shí)，為臨界狀態(tài)。 此時(shí)，可以得到臨界狀態(tài)下Z和A的關(guān)系如下：它們的Z/A值遠(yuǎn)小于臨界值50.13，它們?yōu)?表示它們正在變形。 是比較穩(wěn)定的。 不同裂變參數(shù)的核素具有不同的勢能面，鞍點(diǎn)處的原子核形狀也不同。 裂變勢能面的概念僅表示核素在裂變過程中形變過程中是否穩(wěn)定，而不表示核素是否穩(wěn)定。 13 核素.336.0236.8236.9738.110.710.720.730.740.76 第 13 章裂變 化學(xué)裂變勢壘：原子核的變形增加了基態(tài)的能量。 當(dāng)勢能曲線達(dá)到峰值位置時(shí)，處于鞍點(diǎn)狀態(tài)。 鞍點(diǎn)處的勢能高度就是裂變勢壘的高度。 根據(jù)液滴模型的理論，可以近似計(jì)算出裂變勢壘的高度：當(dāng)1/32/3時(shí)，當(dāng)2/3/A的值大于35時(shí)，核的裂變勢壘高度降至以下7MeV，如錒系核素的裂變勢壘高度約為6MeV。 第十三章 化學(xué)裂變的裂變閾值能量： 裂變閾值能量：是指入射中子誘發(fā)目標(biāo)核裂變所必須具有的最小能量，即入射中子必須具有的最小動(dòng)能。 熱中子可以誘發(fā)235U裂變，但不能引起238U裂變：因?yàn)闊嶂凶诱T發(fā)235U裂變時(shí)，中子與235U形成的復(fù)合核是激發(fā)態(tài)的236U*。
這里的裂變核是236U。 由結(jié)合能公式計(jì)算出的激發(fā)能為6.54 MeV，236變換的勢壘高度為5.9 MeV。 可見，復(fù)合核的激發(fā)能大于裂變核的裂變勢壘高度，即E*Eb。 因此，熱中子可以引起235U裂變。 然而，在238(n,f)反應(yīng)中，裂變核是239U。 如果入射中子是熱中子，則其復(fù)合核的激發(fā)能為4.8MeV，但裂變核239U的裂變勢壘為6.2MeV，即E*Eb。 因此，熱中子不能使238U發(fā)生裂變。 只有當(dāng)入射中子的動(dòng)能大于1.4MeV時(shí)才會(huì)發(fā)生裂變。 第十三章裂變化學(xué)裂變截面和激發(fā)曲線：核裂變是核反應(yīng)的一種形式。 當(dāng)一定能量的入射粒子轟擊目標(biāo)核時(shí)重核裂變，可能會(huì)發(fā)生各種類型的核反應(yīng)，每個(gè)核反應(yīng)稱為一個(gè)反應(yīng)通道。 反應(yīng)前的通道稱為入口通道，反應(yīng)后的通道稱為出口通道。 每個(gè)核反應(yīng)都有一定的發(fā)生概率。 反應(yīng)概率的大小通常用反應(yīng)截面來表示。 裂變截面：表示核裂變發(fā)生概率的物理量。 它被定義為當(dāng)粒子入射到每單位面積只有一個(gè)目標(biāo)核的目標(biāo)時(shí)發(fā)生核裂變反應(yīng)的概率。 表 13.1 幾種核素的熱中子反應(yīng)截面 (b) 截面 233 239Pu 531.1582.2 742.5 47.798.6 2.7 268.8 578.8680.8 2.7 1011.3 587.0694.6 11.6 1019 第十三章 化學(xué)核裂變反應(yīng)截面clei表面入射粒子的曲線能量變化稱為激發(fā)曲線。
可裂變核的裂變截面隨入射中子能量變化的曲線稱為可裂變核的中子裂變激發(fā)曲線。 第十三章：裂變化學(xué)核裂變斷點(diǎn)后的現(xiàn)象：復(fù)合核的變形一旦發(fā)展到鞍點(diǎn)，就會(huì)在10 -22 ～ 10 -21 時(shí)間內(nèi)過渡到裂變斷點(diǎn)，分裂成兩塊。 我們稱它們?yōu)榱炎兯槠?斷點(diǎn)之后，兩個(gè)裂變碎片之間只有庫侖斥力在起作用。 核力是一種短程力，作用半徑r=10-13厘米。 斷裂后，核力將不再起作用。 在庫侖斥力的作用下，兩個(gè)裂變碎片向相反方向分離，并且具有很大的速度（動(dòng)能）。 初始裂變碎片的中子/質(zhì)子比與裂變核相似。 它們大多數(shù)是遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的富中子核。 它們?nèi)匀痪哂泻艽蟮淖冃魏秃芨叩募ぐl(fā)能。 它們是非常不穩(wěn)定的原子核，會(huì)放出過量的中子——瞬發(fā)中子。 大多數(shù)中子實(shí)際上是在裂變后不到 10 -15 秒內(nèi)發(fā)射的。 我們將中子發(fā)射后的裂變碎片稱為二次碎片，也稱為裂變初級產(chǎn)物。 那么釋放中子之前的裂變碎片稱為初級碎片。 釋放1到3個(gè)中子后，次級碎片的激發(fā)能降至中子結(jié)合能（8 MeV）以下，不足以發(fā)射原子核。 然而，此時(shí)的次級片段仍然可以以躍遷的形式去激發(fā)。 在裂變過程中，歷史上記錄的射線大部分是在中子發(fā)射后發(fā)射出來的，并且在裂變后不到10 -11 s內(nèi)完成。
這些射線稱為瞬時(shí)發(fā)射線。 那些發(fā)射出瞬發(fā)裂變中子和瞬發(fā)發(fā)射線的二次裂變碎片仍然是富中子、不穩(wěn)定激發(fā)核素，將經(jīng)歷一系列衰變，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核素。 這些初級裂變產(chǎn)物的一系列衰變構(gòu)成了衰變鏈。 在同一條鏈上，所有鏈成員的質(zhì)量數(shù)相等，故又稱質(zhì)量鏈。 第十三章裂變化學(xué) 原子核的裂變?nèi)纾嘿|(zhì)量數(shù)為99的質(zhì)量鏈為： 衰變產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物稱為二次裂變產(chǎn)物。 裂變產(chǎn)物是瞬發(fā)裂變中子和瞬發(fā)發(fā)射線發(fā)射后的所有裂變碎片的總稱。 它包括裂變瞬間（衰變前）直接產(chǎn)生的初級裂變產(chǎn)物和衰變后產(chǎn)生的所有次級裂變產(chǎn)物。 裂變產(chǎn)物衰變的半衰期約為10 -2 秒或更長。 這比發(fā)射瞬發(fā)中子和瞬發(fā)發(fā)射線所需的時(shí)間長得多。 在衰變過程中，少數(shù)新產(chǎn)生的核素的激發(fā)能可能超過中子的結(jié)合能，從而可能發(fā)射出中子。 此時(shí)發(fā)射的中子稱為延遲中子。 例如，對于質(zhì)量數(shù)為87的鏈，其鏈成員87 Br衰變?yōu)?7 Kr。 87 Kr是可以發(fā)射中子的激發(fā)能級。 當(dāng)它衰變到這樣的能級時(shí)，立即發(fā)射出中子。 這些中子的半衰期就是 87 Br 衰變的半衰期。 這樣的中子就是緩發(fā)中子，激發(fā)態(tài)的 87 Kr 是緩發(fā)中子的發(fā)射極， 87 Br 是緩發(fā)中子的前驅(qū)核。 9944 10 9943 924 6599 42 1499 41 9940 47 9939 270 99 38 058 9937 124 9936 穩(wěn)定 Ru Tc Mo Nb Zr SrRb Kr