§4 原子核的裂变

核反应的两个特殊情形就是重核的裂变和轻核的聚变。

原子核的裂变就是重原子核通过核反应分裂成两个或几个中等质量的原子核，并同时释放出大量的能量的过程。例如，核反应

²³⁵ U +¹ n→¹⁴⁴ Ba +⁸⁹ Kr + 3¹ n

92 0 56 36 0

就是一种典型的重核裂变过程。1938 年，德国放射化学家哈恩（Otto Hahn）和他的助手斯特拉斯曼（FritzStrass-mann）发现，当他们用中子照射铀时，会产生中等质量的钡原子核。次年，奥地利和瑞典物理学家迈特纳

（Lise Meit-ner）和她的外甥弗里施（Otto Robert Frisch）向哈恩指出， 在他们的实验中，铀确实发生了裂变而产生了钡。由此，人们第一次发现了原子核的裂变现象。重原子核在裂变时不仅会产生其他原子核和中子，还会放出大量的能量。而且，在裂变过程中产生的中子又能够轰击其他原子核而实现新一轮的裂变，这就是所谓的链式反应（如图 4-1 所示）。重核裂变的这个特性是制造原子弹的基础，原子弹就是能够发生裂变的重放射性物质材料通过链式反应在瞬间释放出大量的能量，从而达到具有极大的破坏力与杀伤力。

当重原子核发生裂变时除了裂成两个或多个较轻的原子核外，还会释放

出几个中子，这些中子又可以去引发新

的裂变。每次裂变释放出的中子中，平均实际用于实现下一次裂变的中子数，称为增殖因数 k。如果 k＜1，链式反应就不能维持进行；如果 k＞1， 链式反应就能进行：如果 k>>1，链式反应就能迅速发展扩大进行，实现迅速大量集中释放能量，即核爆炸。

能够用于链式裂变反应的原子核材料称为“核燃料”。如果有了一定量的核燃料，它的增殖因数取决于核燃料的纯度和体积。因为核燃料中混的杂质对于裂变反应产生的中子有吸收作用，会降低增殖因数。核燃料中产生的中子有一部分会穿出核燃料的表面，不参加引起下一次裂变，表面积大也会降低增殖因数。当核燃料体积越小时，表面积占的比重就较大，增殖因数也就较小。对于确定纯度的核燃料，它的增殖因数等于 1 的体积称为临界体积。当核燃料的体积小于临界体积时，增殖因数就小于 1，链式反应就不会进行； 当核燃料的体积大于临界体积时，增殖因数就大于 1，链式反应就会迅速进行。

原子弹的原理是通过实验和理论的研究，确定某种核燃料的临界体积。

然后制造几块都小于临界体积的核燃料材料，分开放，到爆炸时突然将它们并到一起成为一块大于临界体积的核燃料，这样立即实现核裂变的链式反应，发生迅速释放能量的爆炸。为了能迅速实现几块核燃料的合并，需要用烈性炸药做原子弹的雷管。

如果要用原子核的裂变产生的巨大能量作为稳定的能源，就要实现增殖因数维持为 1 的核裂变链式反应，人们通过建造原子核反应堆来实现。原子核反应堆在核燃料中插有一些能够迅速吸收中子的可调节位置的控制棒来控制增殖因数的变化，使它保持在 1 附近。控制棒一般用镉制作，因为镉具有很强的吸收中子的能力。当发现增殖因数过大时，把控制棒插入深一些，增殖因数立即就降低下来。当发现增殖因数过小时，把控制棒往外拔一些，增殖因数马上就提高上去。控制棒是控制原子核裂变反应堆正常运行的重要部分。