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原子核裂變 |
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原子核裂變是指一個重原子核分裂成為兩個質量為同一量級的碎塊，並釋放出能量的現象。原子核裂變具有兩種模式，一種是由重原子核、自發地裂變，並釋放出能量。另一種是在中子的作用下而引發的核裂變，這種原子核裂變方式，是人類迄今為止大量釋放原子能的主要方式。 簡介 原子核裂變屬於核物理變化。 化學變化中原子是守恆的。分類 冰受熱變成水是一種物理變化，氫氣和氧氣反應變成水是一種化學變化，但是在這些變化中組成水的氫原子和氧原子的原子核都沒有發生變化。實際上原子核也是能變化的，核裂變和核聚變。 原子核組成粒子內部結構-模型圖 核裂變 原子核組成粒子內部結構-模型圖核裂變是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。只有一些質量非常大的原子核像鈾(yóu)、釷(tǔ)等才能發生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以後會分裂成兩個或更多個質量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發生核裂變……，使過程持續進行下去，這種過程稱作鍊式反應。原子核在發生核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。 1克鈾235完全發生核裂變後放出的能量相當於燃燒2.5噸煤所產生的能量。 核裂變是在1938年發現的，由於當時第二次世界大戰的需要，核裂變被首先用於製造威力巨大的原子武器——原子彈。原子彈的巨大威力就是來自核裂變產生的巨大能量。目前，人們除了將核裂變用於製造原子彈外，更努力研究利用核裂變產生的巨大能量為人類造福，讓核裂變始終在人們的控制下進行，核電站就是這樣的裝置。 發現過程 莉澤·邁特納（Lise Meitner）和奧多·哈恩（Otto Hahn）同為德國柏林威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm Institute）的研究員。作為放射性元素研究的一部分，邁特納和哈恩曾經奮鬥多年創造比鈾重的原子（超鈾原子）。用游離質子轟擊鈾原子，一些質子會撞擊到鈾原子核，並粘在上面，從而產生比鈾重的元素。這一點看起來顯而易見，卻一直沒能成功。 他們用其他重金屬測試了自己的方法，每次的反應都不出所料，一切都按莉澤的物理方程式所描述的發生了。可是一到鈾，這種人們所知的最重的元素，就行不通了。整個20世紀30年代，沒人能解釋為什麼用鈾做的實驗總是失敗。 從物理學上講，比鈾重的原子不可能存在是沒有道理的。但是，100多次的試驗，沒有一次成功。顯然，實驗過程中發生了他們沒有意識到的事情。他們需要新的實驗來說明游離的質子轟擊鈾原子核時究竟發生了什麼。 最後，奧多想到了一個辦法：用非放射性的鋇作標記，不斷地探測和測量放射性的鐳的存在。如果鈾衰變為鐳，鋇就會探測到。 他們先進行前期實驗，確定在鈾存在的條件下鋇對放射性鐳的反應，還重新測量了鐳的確切衰變速度和衰變模式。這花了他們三個月的時間。 沒等他們進行實質性的實驗，莉澤就不得不逃往瑞典，躲避上台的希特勒納粹黨。奧多只得獨自進行他們的偉大的實驗。 哈恩完成實驗兩週後，莉澤就收到了一份長長的報告，其中記述了他實驗的失敗。哈恩用集束粒子流轟擊鈾，卻連鐳也沒得到，只探測到了更多的鋇——鋇遠遠多出了實驗開始時的量。他感到迷惑不解，請求莉澤幫他解釋這究竟是怎麼回事。 一周後，莉澤穿著雪鞋在初冬的雪地裡散步，這時一個畫面從她心中一閃而過：原子將自身撕裂開來。這個畫面來得那么生動、驚人和強烈，她幾乎從想像中就能感到原子核的跳動，能聽到原子撕裂時發出的噝噝聲。 她立即認識到自己已經找到了答案：質子的增加使鈾原子核變得很不穩定，從而發生分裂。他們又做了一個實驗，證明當游離的質子轟擊放射性鈾時，每個鈾原子都分裂成了兩部分，生成了鋇和氪。這個過程還釋放出巨大的能量。 就這樣邁特納發現了核裂變的過程。 將近4年之後，1942年12月2日下午2時20分，恩里克·費米扳動開關，幾百個吸收中子的鎘控制棒衝出石墨塊和數噸氧化鈾小球壘成的反應堆。費米在芝加哥大學斯塔格足球場的西看台下的地下網球場內堆放了4.2萬個石墨塊。這是世界上第一個核反應堆——是邁特納發現的產物。 1945年，原子彈的發明是她的核裂變發現的第二次應用。 |
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