U235 核的裂變過程。該核吸收一個中子，變成 236U 核。236U 核隨后裂變成兩個移動速度更快的較小核，釋放出三個中子，同時產(chǎn)生伽馬射線。
核裂變
裂縫
核裂變
它指的是核反應或放射性衰變，其中較重的原子（原子序數(shù)較大的原子），主要是鈾或钚，分裂成較輕的原子（原子序數(shù)較小的原子）。核裂變最早是由莉澤·邁特納、奧托·哈恩和奧托·羅伯特·弗里施于 1938 年提出的，他們發(fā)現(xiàn)原子彈和核電站的能量來源是核裂變。早期的原子彈是由钚-239 制成的。鈾-235 裂變在核電站中最為常見。
重核原子被中子擊中后分裂成兩個較輕的原子，釋放出數(shù)個中子和以伽馬射線形式存在的光子。釋放出的中子又撞擊其他重核原子，從而形成鏈式反應，原子核自發(fā)分裂。原子核裂變時，不僅釋放中子，還會釋放熱量。核電站發(fā)電的能量就來自此。因此，核裂變產(chǎn)物的結(jié)合能必須大于反應物的結(jié)合能。
核裂變會將一種化學元素變成另一種化學元素，所以核裂變也是一種核遷移。形成的兩個原子的質(zhì)量會略有不同，對于常見的可裂變物質(zhì)同位素來說，形成的兩個原子的質(zhì)量會略有不同，質(zhì)量比約為。大多數(shù)核裂變會形成兩個原子，偶爾也會有形成三個原子的核裂變，稱為三元裂變（由錢三強和何澤慧發(fā)現(xiàn)），大約千分之一會產(chǎn)生二到四元裂變，其中形成的最小產(chǎn)物介于質(zhì)子和氬核大小之間。
現(xiàn)代核裂變大多是有意為之，由中子撞擊引發(fā)的人工核反應。偶爾，也有自發(fā)核裂變，由放射性衰變引起，不需要中子引發(fā)，特別是在一些質(zhì)量數(shù)非常高的情況下。高同位素產(chǎn)物的組成具有相當大的概率性，甚至是混亂的，這與量子隧穿產(chǎn)生的裂變不同，例如質(zhì)子發(fā)射、α衰變和團簇衰變，這些裂變每次都會產(chǎn)生相同的產(chǎn)物。核電站的能量來源是核裂變。核燃料是指當中子撞擊它時會釋放中子的物質(zhì)，從??而產(chǎn)生鏈式反應，使核裂變繼續(xù)進行。在核電站中，能量產(chǎn)生率控制在較小的速率，而在原子彈中，能量的釋放非常迅速且不受控制。
由于每次核裂變釋放的中子數(shù)量大于一個，如果不控制鏈式反應，在極短的時間內(nèi)，同時發(fā)生的核裂變數(shù)量會成倍增加，如果原子數(shù)量足夠多，瞬間就會釋放出大量能量。原子彈就是利用核裂變的這種特性，制造原子彈所用的重核含量必須在90%以上。
核能發(fā)電應用中使用的核燃料通常含有極低水平的鈾-235，約 3% 至 5%，因此不會引起核爆炸。然而，核電站仍需要控制反應堆中的中子數(shù)量，以防止電力耗盡。濃度過高會導致堆芯熔毀。硼通常被添加到反應堆慢化劑中，控制棒用于吸收燃料棒中的中子以控制核裂變速率。從鎘開始的所有元素都可以分裂。
核裂變時，大部分裂變中子在裂變后立即釋放，稱為瞬發(fā)中子，少部分在稍后（一至幾十秒）釋放，稱為緩發(fā)中子。
裂縫
機制
核裂變可以在沒有中子的情況下發(fā)生。這種類型的核裂變稱為自發(fā)裂變，這是一種僅在少數(shù)較重同位素中發(fā)生的放射性衰變。然而，大多數(shù)核裂變是一種核反應，其中中子撞擊導致反應物分裂成兩個較小的原子核。核反應是由中子撞擊機制產(chǎn)生的，不受自發(fā)裂變相對固定的指數(shù)衰減和半衰期特性的控制。
現(xiàn)今人們知道的核反應有很多種，核裂變與其他核反應最大的不同就是，核裂變是由中子碰撞而產(chǎn)生的，產(chǎn)生的多個自由中子會與其他原子核碰撞，引發(fā)更多的核裂變，成為核鏈式反應（鏈式反應的一種），有時可以控制一些條件來調(diào)整核鏈式反應的程度。
能產(chǎn)生核鏈式反應的化學元素的同位素稱為核燃料，又稱可裂變材料。其中最重要的是U235（鈾的同位素，原子量為235）和Pu239（钚的同位素核裂變反應方程式，原子量為239）。核燃料分裂后，大部分會形成原子量在95至135之間的元素（核裂變產(chǎn)物）。大多數(shù)核燃料會非常緩慢地通過α/β衰變鏈發(fā)生自發(fā)裂變，時間范圍從數(shù)千個世紀到幾個地質(zhì)年代。在核反應堆或核武器中，大多數(shù)核裂變是由中子撞擊引起的，而核裂變也會產(chǎn)生中子，從而引發(fā)更多的核裂變。
誘發(fā)核裂變事件，其中慢中子被鈾 235 原子核吸收，分裂成兩個快速移動、較小且中子較多的元素。大部分能量轉(zhuǎn)化為核裂變產(chǎn)物和中子。動能
小河頭日出
慕田峪長城
滑冰車
連鎖反應
許多重元素，如鈾、釷和钚，既能通過放射性衰變自發(fā)裂變，也能通過中子引發(fā)的核反應自發(fā)裂變。任何能通過吸收中子而發(fā)生核裂變的原子核都被稱為“可裂變材料”，但能吸收慢速移動的熱中子而發(fā)生核裂變的原子核被稱為可裂變材料。一些特殊的可裂變材料及其同位素（如U233、U235和Pu239）能維持鏈式反應，并能提取出足夠數(shù)量以供使用，這類材料被稱為核燃料。
一切可裂變和易裂變物質(zhì)都會有部分原子發(fā)生自發(fā)裂變，釋放出部分自由中子。自由中子的半衰期約為15分鐘，之后衰變?yōu)橘|(zhì)子和β粒子，但在半衰期到來之前，中子已經(jīng)碰撞到了其他原子（新衰變中子的速度約為光速的7%，甚至慢中子的速度也是音速的8倍。）。部分中子會撞擊原子，引發(fā)進一步的核裂變。核燃料充滿，或者中子維持足夠長的時間，放出的中子數(shù)量大于離開核燃料的中子數(shù)量，這就是持續(xù)的核鏈式反應。
能夠維持持續(xù)核鏈式反應的組件稱為臨界組件。如果組件完全由核燃料組成，則稱為臨界質(zhì)量。臨界一詞指的是控制燃料中自由中子的微分方程的尖點。如果質(zhì)量小于臨界質(zhì)量，核鏈式反應將繼續(xù)。中子的數(shù)量由放射性衰變決定，如果質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，中子的數(shù)量由鏈式反應決定。臨界質(zhì)量的實際質(zhì)量受幾何形狀和周圍材料的影響。
并非所有的裂變材料都能產(chǎn)生核鏈式反應，例如U238是鈾的最豐富同位素，它是裂變材料，但不是核裂變材料，如果能量超過1MeV的中子擊中U238，就會發(fā)生核鏈式反應，雖然會發(fā)生裂變，但產(chǎn)生的中子能量大部分不足以引起其他裂變，所以這種同位素不會產(chǎn)生核鏈式反應。如果U238被慢中子擊中，U238會吸收中子（形成U239）核裂變反應方程式，并β衰變形成Np239，后者再以同樣的過程衰變?yōu)镻u239。這也是中子增殖反應堆生產(chǎn)Pu239的方法。
鏈式反應圖。
1. 鈾235原子吸收一個中子，分裂成兩個較小的新原子，釋放出三個中子和結(jié)合能。
2. 其中一個中子被鈾-238吸收，鏈式反應不會繼續(xù)。另一個中子不會與其他原子碰撞。最后一個中子與另一個鈾-235原子核碰撞，釋放出兩個中子。鏈式反應繼續(xù)。
3. 兩個中子與鈾235原子核碰撞，分別釋放出1至3個中子，從而繼續(xù)鏈式反應
紅燒豬肘
豆汁橡膠圈
核反應堆
最常見的核反應堆類型是臨界反應堆，在臨界反應堆中，核燃料產(chǎn)生的中子會引發(fā)更多的核反應，從而保持可控的能量水平。有些核反應堆無法自行繼續(xù)產(chǎn)生核反應，稱為亞臨界反應堆。使用衰變或粒子加速器來誘發(fā)核裂變。
德國菲利普斯堡核電站的冷卻塔
建造臨界核反應堆的原因有三點，目的可能是需要核裂變產(chǎn)生的能量或中子，因此有不同的工程考慮：
1、核能發(fā)電希望獲得核裂變產(chǎn)生的能量，可能用來供給發(fā)電廠，或者作為核動力潛艇的動力來源。
2.研究用核反應堆的目的是獲取中子和核放射性元素，用于科學、醫(yī)學、工程或其他研究目的。
3. 中子增殖反應堆的目的是從高豐度同位素中提取核燃料。快中子增殖反應堆更為人熟知，它從自然界豐富的U238（非核燃料）中提取Pu239。過去曾開發(fā)過熱中子增殖反應堆，使用Th232提煉U233（釷燃料循環(huán)），目前仍在開發(fā)中。
理論上來說，所有核反應堆都能達到上述三個目的，但在實際應用中，這三個工程目的相互沖突，大多數(shù)核反應堆只考慮其中之一。將核能轉(zhuǎn)化為熱能，再加熱工作流體，推動熱機產(chǎn)生機械能或電能。工作流體通常是水，用蒸汽渦輪發(fā)動機，但有些設計也使用氦氣作為工作流體。利用核反應堆產(chǎn)生中子的研究可用于許多領(lǐng)域，核裂變產(chǎn)生的熱量被認為是無法使用的廢熱。中子增殖反應堆是特殊的研究核反應堆，它處理燃料本身，即U238和U235的混合物。
原子彈
原子彈是利用核裂變的能量造成破壞的一種核武器。原子彈是專門設計的核反應堆，在原子彈因釋放自身能量而爆炸之前，盡可能快地釋放大量能量。研制原子彈的目的之一就是為了制造原子彈。美國的曼哈頓計劃匯集了早期研究核裂變鏈式反應的許多科研成果，進行了三位一體核試驗，并于1945年8月在廣島和長崎投下了小男孩和胖子原子彈。
1945 年，長崎原子彈爆炸時，震中的蘑菇云高達 18 公里。原子彈爆炸造成至少 6 萬人死亡。
即便是第一顆原子彈，威力也是同等重量化學炸藥的數(shù)千倍，例如小男孩原子彈重約4噸，其中60公斤是核燃料，長約3.4米，它的爆炸威力相當于現(xiàn)代核武器（包括氫彈等）的破壞力，比同等重量的第一代純核裂變武器的破壞力大數(shù)百倍，所以現(xiàn)代核導彈彈頭只有小男孩核燃料重量的1/8，TNT當量為47.5萬噸，可以摧毀比城市大十倍的面積。
原子彈和受控核反應堆中的核裂變鏈式反應的物理原理相同，但在工程設計上有顯著差異。原子彈的目的是一次性釋放所有能量，而核反應堆則希望連續(xù)釋放能量。核反應堆過熱，導致核心熔化和蒸汽爆炸。由于核反應堆中濃縮鈾的濃度比原子彈低得多，因此不可能造成像原子彈爆炸那樣的大規(guī)模破壞。以目前的技術(shù)，從原子彈中提取有用能量仍然非常困難，但當時有一個火箭推進系統(tǒng)，獵戶座，計劃是在飛船后面放上大量的保護和屏蔽，然后在飛船后面引爆原子彈。
核武器在軍事戰(zhàn)略上的重要性也使得核裂變技術(shù)具有極高的政治敏感性。從工程角度看，目前的原子彈相對簡單，但核燃料的獲取困難是大多數(shù)國家無法制造原子彈的原因，只有少數(shù)國家有能力制造原子彈，只有現(xiàn)代工業(yè)國家才擁有核燃料和專門的生產(chǎn)計劃。
歷史
核裂變是1938年在威廉皇帝化學研究所（現(xiàn)柏林自由大學）的建筑物中發(fā)現(xiàn)的，此前人們在描述原子內(nèi)部的放射性和原子核物理科學方面已經(jīng)研究了近五十年。1911年，盧瑟福提出原子模型（盧瑟福模型），原子核由一個小而致密、帶正電的原子核組成，原子核內(nèi)含有許多質(zhì)子（當時還沒有發(fā)現(xiàn)中子），周圍有許多在軌道上運動并帶負電荷的電子。尼爾斯·玻爾于1913年在此基礎上進行拓展，并加入了電子的量子特性（玻爾模型）。亨利·貝克勒爾、瑪麗·居里和皮埃爾·居里的研究以及盧瑟福的進一步研究指出，原子核的束縛力雖然很強，但是核衰變有不同形式（如α衰變，會放出α粒子，也就是帶有兩個中子和兩個質(zhì)子的氦原子核），進而嬗變?yōu)槠渌亍?span style="display:none">0iN物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
科學家此前已經(jīng)對核嬗變進行了一些研究。1917年，盧瑟福利用α粒子將氮原子嬗變成氧原子，這是首次觀察到的核反應，即試圖使一個粒子衰變并產(chǎn)生其他粒子。1932年，盧瑟福的同事歐內(nèi)斯特·沃爾頓和約翰·考克饒夫完成了完全人工的核反應和核嬗變，利用人工加速的質(zhì)子撞擊鋰-7，將其分裂成兩個α粒子，當時被稱為“分裂原子”，但這與后來重元素的核裂變不同。當時還研究了“原子結(jié)合”（即核聚變）的可能性。第一次人工核聚變是由馬克·奧利弗于1932年開始的，他將兩個加速的氘核（包含一個中子和一個質(zhì)子）聚變成一個氦核。
英國科學家詹姆斯·查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)中子，隨后，1934年，恩里科·費米與他在羅馬的同事用中子轟擊了原子序數(shù)為92的鈾原子，費米認為，他們實驗產(chǎn)生的元素具有93和94個質(zhì)子，并因此被命名為93和94，但也有科學家不同意費米的結(jié)論，德國科學家伊達·諾達克在1934年提出質(zhì)疑網(wǎng)校頭條，認為產(chǎn)生的元素并不是一個新的原子序數(shù)為93的元素，而是“原子核被分成了幾個較大的碎片”。不過，當時支持諾達克說法的人并不多。
費米的論文發(fā)表后，奧托·哈恩、莉澤·邁特納和斯特拉斯曼在柏林進行了類似的實驗。邁特納是奧地利猶太人，1938 年納粹占領(lǐng)奧地利后他失去了身份。邁特納逃往瑞典，但仍與哈恩保持通信。12 月 19 日，邁特納收到哈恩的信時，有一些化學證據(jù)表明中子擊中鈾產(chǎn)生的原子是鋇。托馬斯·羅伯特·弗里施當時也在瑞典。哈恩認為這是原子核爆炸，但他不知道這一結(jié)果的物理基礎。鋇的原子質(zhì)量比鈾小 40%，當時沒有已知的衰變會懷疑這一結(jié)果，但邁特納相信哈恩在化學方面的專業(yè)知識。 邁特納和弗里施正確地解釋了哈恩實驗的結(jié)果，鈾原子核分裂成大約兩個。弗里施建議這個過程可以稱為“核裂變”，借用了生物細胞分裂的過程，即一個細胞分裂成兩個。
1938年12月22日，哈恩和斯特拉斯曼向《自然科學》雜志投稿，聲稱他們用中子轟擊鈾發(fā)現(xiàn)了鋇。同時，他們將實驗結(jié)果寄給了瑞典的《物質(zhì)》雜志。邁特納、弗里施和納納正確地把這個結(jié)果解釋為核裂變的證據(jù)。弗里施于1939年1月13日證實了這一實驗。因為證實了中子轟擊鈾產(chǎn)生的鋇是核裂變產(chǎn)物。哈恩因“發(fā)現(xiàn)重核的核裂變”而獲得了1944年諾貝爾化學獎（該獎直到1945年才頒給哈恩，因為諾貝爾委員會認為1944年化學獎的提名人不符合諾貝爾獎的要求。這是貝爾的遺愿，諾貝爾委員會可以把獎推遲到次年頒發(fā)）。
工藝壺后記：
中子的發(fā)現(xiàn)
中子的發(fā)現(xiàn)過程，是粒子物理學發(fā)展的一部漫長歷史，猶如一部驚心動魄的武俠小說，誕生了太多偉大的物理學家、化學家，也誕生了眾多的諾貝爾獎獲得者。
由于上課時間有限，老師沒能把這里很多有趣的故事講給大家聽，以后老師一定會抽時間彌補，不能讓大家錯過這么精彩的歷史！！！
? Craft Pot
