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核武器物理的基础知识:核裂变的解释

文章来源:经福谦   时间:2011-10-28

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    裂变和聚变是大规模核能之源,其中的每一种都是基本原子核现象,都与量子力学及相对论理论有关。裂变和聚变的联合影响对现代社会的作用是巨大的和空前的。从本质上说,裂变与a衰变相当类似,都是一个原子核分裂成互相飞离的两个部分,都有一势垒在起着阻止迅速衰变的作用。

    在太阳上有聚变而没有裂变。在地球上天然存在的元素中,自发裂变是极其稀少的。科学家前后经过40年对放射性和原子核转变的研究,没有一个人曾看到过裂变。费米1934年曾经用中子轰击铀-238得到了裂变产物而不认为是裂变,以为出现了一种超铀元素。1938年哈恩和斯特拉斯曼重作了费米的实验,在产物中得到了钡(Z56)的明确的化学证明,他们拿不定主意是否是裂变产生的,所以没有发表论文。首先正确解释铀核裂变的荣誉,属于奥地利物理学家迈特内与他的外甥弗里施。他们在19391月提出,受到中子轰击而激发的铀可以分裂成为几乎相等大小的碎片。

    裂变的发现犹如种子落入沃土。玻尔和惠勒以惊人的速度发表了关于裂变的理论。以同样的速度,物理学家们抓住了它的实际潜力,开创了大规模释放能量的研究。

    要对裂变释放能量的前景作出估计必须回答三个基本问题。

    第一个问题:裂变中释放出来的能量是多少?这个问题最容易回答:根据比结合能曲线,可以预期的答案是每个核子约1兆电子伏,或一次裂变事件约200兆电子伏。这个能量很快地转变为热量,而与裂变事件的原子核过程无关,它对继续发生裂变没有多大关系。

    第二个问题:哪些原子核是最可能裂变的?

    第三个问题:在一次裂变事件中发射出多少中子?

    1939年,玻尔和惠勒提出了原子核裂变的液滴模型。他们设想,通常的液体具有表面张力,这是由于表面分子只在一侧受到其他分子的包围,因此,比起内部的分子它们所受到的束缚要小些。由于具有表面张力,一滴液体总是趋于球形以尽量减少其表面积。核子的行为类同于液体中的分子,原子核可以看成象一个球状的小水珠,其中质子和中子在不断地运动着。这种运动使得原子核在某一瞬间会变成不规则的形状。特别是当核内受到某种能量的扰动,使原子核处于较高能量的激发态时,原子核变形就更厉害。像液滴一样,原子核形状的改变超过一定的临界程度就会分裂。图2.12表示它的裂变机制。

图2.12	液滴裂变机制示意图

 2.12    液滴裂变机制示意图

    重核中有两个起作用的力:一个是核力,它使原子核凝聚在一起;另一个是库仑力,它趋于把原子核拉开。吸引的核力产生一个有效表面张力,趋于维持原子核为近似的球形。质子间的库仑斥力趋于使原子核拉开。在临界形变以下,表面张力占优势。超过临界形变,库仑斥力占优势。我们知道,核力支配着所有的原子核,但是,对于最重的原子核,核力仅能勉强控制住。如果一个铀核从其正常形状稍稍变形,则核力占优势,使之恢复到原有形状。如果进一步变形,则斥力占优势,核将分裂为二(有时为三)。

    在这两种形变程度之间,有一势垒。势垒的大小取决于库仑能和表面张力能的相对大小。库仑能近似地与Z2/R成正比:

UZ2/R

 另一个有关系的能量是原子核的表面张力能。它与原子核的表面积(或原子核半径的平方)成正比:

U表面R2

    因此比值U/ U表面Z2/R3成正比。而R3与质量数A成正比,从而可写出

U/ U表面Z2/ R3Z2/A

    玻尔认为这个比值可以作为裂变势垒的重要参数。其值越大,斥力就越占优势,因而原子核裂变就越容易。因此Z2/A值大的情况相当于裂变势垒低。考虑铀的两种主要同位素,对其中的每个核加一个中子:

235U + n = 236UZ2/A = 35.9

238U + n = 239UZ2/A = 35.4

    由于这个小差别,236U的裂变就比239U容易些。实际情况确是如此,235U与慢中子作用就可发生裂变。如图2.13所示。

    还有一个区分两个同位素裂变能力的标志性参数是激发能,它比势垒参数更为重要。在原子核的比结合能曲线中有一个细微而不明显的效应是,偶数A的原子核中,每个核子的结合能比其相邻奇数A的原子核中的结合能稍大些。因此,235U俘获一个慢中子后形成一个偶数A的核,它比238U俘获一个慢中子后形成的奇数A核束缚得更紧密,而且可以提供更多的激发能。

    这个差别非常重要。235U吸收一个慢中子形成236U,可以放出6.4兆电子伏的结合能,提供了足够的能量以克服裂变势垒。因此,235U不管吸收多大动能的中子,都会引起核裂变;而慢中子在核附近逗留的时间长,引起核裂变的机会也就更大。238U则不然,当它吸收一个慢中子形成239U后,只能放出4.8兆电子伏的结合能,不足以克服裂变势垒。只有当入射中子的动能足够大,当238U吸收后,入射中子的动能加上结合能足以克服裂变势垒时,才能发生裂变。

图2.13	铀-235裂变示意图

2.13    -235裂变示意图

    入射中子刚刚能引起238U发生裂变的动能,称为克服裂变势垒的“阈能”(即产生裂变的最低能量)。因为慢中子引起238U裂变的机会(称裂变截面)很小,而且裂变截面随中子能量的变化不大,故很难说从哪一能量开始238U 刚好发生裂变。在核工程学中,有时取1.4兆电子伏为238U 的阈能,在一般教科书中取1.1兆电子伏作为能引起238U裂变的阈能。

    用Z2/A这个裂变势垒参数,可以猜测Z92大的超铀元素应该比铀更加容易裂变。因为Z2在分子上,是二次方,变化大;而A在分母上,是一次方,相对变化小些。一旦能够“制造”超铀同位素,建造新的反应堆或制造炸弹,不就更容易了吗。现在考虑的实际同位素是钚-239239PuZ94)。它是238U俘获一个中子后经过两次衰变而来的,如图2.14所示。

图2.14	铀-238吸收中子最后变成钚-239的示意图

 2.14    -238吸收中子最后变成钚-239的示意图

 -239是一个高度可裂变的同位素:

239Pu + n = 240Pu Z2/A = 36.8

    由于其Z2/A值较大,钚-240的裂变势垒比每一种铀的同位素都要低些。它和铀-236一样有一个偶数的A值,而偶数A值的好处是有大的中子结合能。因为钚有如此大的优越性,所以研究和生产钚的技术发展很快。1939年钚还未被知晓和命名,而在1945年夏天就生产出了世界上第一颗钚炸弹。日本长崎是第一个遭受钚弹灾难的城市。


   本文摘自《揭开核武器神秘面纱》

   经福谦 陈俊祥 华欣生著

   清华大学出版社 暨南大学出版社

   出版时间:2002年7月

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