Mendeleev学习
中文ZH

核裂变

核裂变是重原子核分裂成两个较轻碎片的过程,通常还会释放若干中子。真正需要理解的不只是“裂成两半”,而是核素守恒、结合能变化、Q 值以及中子如何使反应继续传播。

从中子俘获到两个裂变碎片

以 ²³⁵U 为例,一个中子被吸收后先形成激发的复合核。这个核会形变,并可能沿着裂变路径分成两个主要碎片,同时放出两三个中子。裂变不是固定地生成一对唯一碎片;实验得到的是一组概率分布。

核素方程必须同时守恒质量数 A 和原子序数 Z。中子数可以在反应前后重新分配,但核子总数和电荷必须一致。

重核裂变碎片自由中子
一次裂变事件的示意图。吸收中子后的重核可分成两个主要碎片并释放新的中子。

约 200 MeV 的能量从哪里来

裂变产物的平均每核子结合能通常高于非常重的母核。因此终态的总静质量略低,质量差通过 Q = Δmc² 转化为碎片动能、中子动能、γ 射线以及随后衰变释放的能量。典型裂变事件释放的总能量约为 200 MeV。

这不是“质量消失”,而是同一总能量账本中的静质量能转移到其他形式。

很重的原子核结合更紧质量数 AB/A
结合能曲线说明能量方向:非常重的原子核裂变后可向更高的每核子结合能移动。

中子为什么能维持链式反应

裂变释放的中子可能诱发新的裂变。用有效增殖因子 k 描述一代中子与下一代中子的关系:k<1 时链逐渐衰减,k=1 时平均保持稳定,k>1 时中子数增长。

“临界”只表示 k=1,并不等同于爆炸;实际系统还受中子泄漏、吸收、几何形状和能谱控制。

瞬发成分与迟发成分

大多数裂变中子几乎立即释放,称为瞬发中子。少量中子则来自某些裂变产物的后续 β 衰变,称为迟发中子。比例虽小,却把可控反应堆的动力学时间尺度从极短的瞬发尺度拉长。

裂变碎片通常富中子并不稳定,因此后续 β、γ 衰变还会继续释放能量和辐射。

例题

1. 检查核素方程

解答

对 ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n:左侧 A=236、Z=92;右侧 A=141+92+3=236、Z=56+36=92,因此核子数与电荷均守恒。

2. 解释 k=0.97

解答

每一代平均只产生前一代 97% 的有效中子,链式反应会逐渐衰减。

3. 能量来自哪里

解答

产物总静质量更低、平均结合更紧。差额以碎片与中子的动能、γ 射线和后续衰变能出现。