高中物理核能核能的利用与环境保护裂变与链式反应素材鲁科选修

裂变与链式反应

谈论能源命题都可以由二十世纪最杰出的科学家爱因斯坦的著名方程式E＝mc2谈起。这个简明方程揭示，自然界最重要的规律就是任何物质的一定质量是和它具有的一定能量相联系。质量和能量是反映物质属性的两个物理量，质量与能量不是各自不相干的而是相互紧密联系着的，或者说一定的质量是和一定的能量相当。这里c是代表光速，其数值约等于每秒 300，000公里，E是静止物体所含的能量， m是它的质量，

图8-1 爱因斯坦

质量m所具有的能量等于这质量乘以光速的平方。这就是说，普通一个具有一定质量的物体，它都具有非常大的能量，譬如说任何具有一克质量的物体它都具有很大数量的能量，它大约相当具有2500万度的电能。但是为什么我们通常看不到普通的物质放出这样巨大的能量呢？这是因为在通常的物理、化学、生物的变化中，甚至在极其剧烈的变化中如木材、煤、汽油的燃烧时，它们质量几乎没有发生任何变化，不过它们大都从固态变成气态，如变成二氧化碳跑到空气中去，当然在燃烧这些燃料时我们可以得到不少能量。根据质能相当原理，那末被燃烧的物体必定亏损掉一点质量，通过计算表明，燃烧一吨煤，如果我们能够把生成的二氧化碳质量和燃烧前的煤加上燃烧时消耗空气中氧的质量作比较，则可以发现燃烧过程将会失去0.000028克的质量。对这种现象的解释，爱因斯坦曾作过一个生动的比喻：“只要没有向外放出能量，能量就观察不到。这好比一个非常有钱的人，如果他从来不花费也不给别人一分钱，那末就没有谁能说出他有多少财产。”所以说，要发生非常大的能量变化，只能在质量发生比较大变化的情况下才能产生。那末发生质量稍微大点的变化情况应在那里去找呢？前面煤的燃烧表明普通的化学反应过程质量的变化是微乎其微，这是因为化学反应只牵涉到某些原子中的电子轨道变化，它们的总质量几乎不会发生什么可觉察的变化，但它们这些无足轻重的变化，客观上已经提供了不少的能量。对一个原子来说，它百分之九十九点九的质量是集中在原子核当中，显而易见，只能在原子核发生变化时才能提供大的质量变化。一个质量为M的原子核如铀235，如果分裂成两个中等质量的原子核M1和M2，M1和M2以巨大能量彼此推开，当这两个原子核运动停止下来时棗即当我们取走它们巨大的动能之后，我们可以算出它们两者质量的相加一定少于裂变之前的一个原子核，比如这里M表示铀235的质量即M＞M1＋M2。一般来说，这两者的相差

值在千分之一左右。由于在原子核实验工作中我们可以相当精确地定出每个原子核的质量，也能相当精确地测量原子核运动的动能，因此在原子核的实验中最好地验证了E＝mc2这个质能相当公式。爱因斯坦在说明这个公式时还就那个“有钱的守财奴”的故事作了这样的阐明：“这个有钱的守财奴，他在一生中不给人一分钱（能量），但在他的遗嘱中把他的财产留给他的两个儿子M1和M2，条件是要他们送给社会以小量的钱，其数目少于全部遗产（能量或质量）的千分之一，这样两个儿子共有的钱比父亲要少些（质量M1＋M2之和比放射性原子核的质量M稍为少些）。”送给社会的部分虽然相对地说来比较小，但是作为动能来看本身已经是非常之大了。这个公式今天在原子核的裂变反应和聚变反应中得到极其明确的证明，而且能解释宇宙变化、星球发光、太阳发热等一系列现象，是解释这些现象的根本的出发点。

通过重核裂变释放很大原子核能这个现象的发现，要从第二次世界大战初期谈起。裂变的现象早在1934年实验上就出现过，可惜当时作了错误解释，直到1928年，在德国的放射化学家哈恩和斯特拉斯曼才发现了慢中子轰击铀原子核时发生裂变的令人吃惊的现象。

图8-2 哈恩

因为慢中子能量极低，只有几个电子伏特，而铀核的分裂可产生释放近200百万电子伏特的能量，所以他们为此现象感到不知所措，不敢相信自己的观察结果，就写信给当时住在瑞典的著名核理论物理学家迈特纳（Meitner）。迈特纳接到来信，她根据尼·玻尔（N.Bohr）的原子核液滴模型假设，在1939年从理论上解释了重原子核铀的裂变现象。由于核力作用范围只能到达大原子核直径的几分之一区域，所以在重原子核里不少质子之间的静电斥力有时有超过核力的机会。当一个外来中子闯进这个重核里来时，扰动的结果使原子核剧烈振荡，造成整个核可能变形成椭圆形，这样核力就更无法维持昔日把所有核子抱成一团的局面。一旦在椭圆的两端形成正电荷中心，静电斥力中心就会更加把核向两个相反方向排斥，愈排斥愈长，出现哑铃状，最后不可避免地破裂成两块质量大致相同的碎块（图8梍3）。

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图8-3 核的裂变过程

我国物理学家钱三强、何泽慧在1947年发现，重核还有发生三裂变、四裂变的现象。迈特纳等人同时在理论计算中意识到，伴随着每次核的裂变将有2亿电子伏特这样惊人的裂变核能放出来。核裂变的实验结果和理论分析这些极重要的消息，由尼·玻尔带到美国，当时在美国工作的意大利人费米马上推想：如果在裂变过程同时有若干中子也蜂涌而出，那末是否新的中子也能引起下一代更多的原子核的裂变呢？假使能这样一代比一代极快地“繁殖”下去，这就会在一刹那时间的链式反应中“繁殖”几百代。下面我们用图（图8－4）来说明U235裂变过程中几种可能的遭遇。上图表示，U235在吸收一个中子后发生裂变放出三个中子，当中一个中子，经过慢化后成为慢中子，再引起另一个U235的裂变；上面一个中子，则可能碰不到任何原子核而飞出

图8-4 U235 裂变过程中几种可能的遭遇

去；下面的一个中子则可能被U238所吸收，变成U239，而U239经β衰变变成Np239，再经一次β衰变而变为Pu239。下图表示在由铀燃料棒和减速剂（水或石墨）相间组成的反应堆中的链式反应。其中有时中子被U235吸收发生裂变（有电火花标记者），有时则可能被U238吸收，有时中子在减速剂中被反射。费米的假设引起了科学界极大的重视，因为那就是说我们可能找到比以往任何能源释放能量都要巨大的新能源。1克铀235全部裂变释放出来的能量竟相当于2.5吨煤燃烧放的热，匈牙利籍的科学家西拉德（Szilard）首先从实验证实这个重要假设。当时法西斯德国也在研究核的裂变问题，于是西拉德于1939年说服最孚有威望的爱因斯坦写信给罗斯福总统，信里指明核的连锁反应可能会导致新的具有高度爆炸力核弹的制造。通过计算表明，只要有1公斤铀235（大约是直径4.8厘米的球体），就可以做成具有2万吨炸药威力的原子弹。经过三年的努力，费米在1942年造出了世界上第一座核反应堆，实现了有控制的核链式反应。这就从实验上证实了，通过重核的链式反应可以释放巨大的原子核能。但天然存在的铀同位素中铀238占绝大多数，铀238只有遇到1.1MeV以上能量的中子才能引起它裂变，否则它只会大量吸收中子转变成铀239，而铀235却对一般能量中子都能引起它的裂变。因而要使链式反应更为异常剧烈地进行，使之变成一场核的爆炸，则必须把铀矿精炼提纯，不断提高核燃料中铀235的含量。在第二次世界大战最后的三年里，美国政府不惜以巨款筹建了纯化铀235的气体扩散工厂，终于在1945年实现了核能释放的最激烈方式棗核爆炸。