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核武器物理的基礎(chǔ)知識(shí)：核裂變的解釋
裂變和聚變是大規(guī)模核能之源，其中的每一種都是基本原子核現(xiàn)象，都與量子力學(xué)及相對(duì)論理論有關(guān)。裂變和聚變的聯(lián)合影響對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的作用是巨大的和空前的。從本質(zhì)上說(shuō)，裂變與a衰變相當(dāng)類似，都是一個(gè)原子核分裂成互相飛離的兩個(gè)部分，都有一勢(shì)壘在起著阻止迅速衰變的作用。
在太陽(yáng)上有聚變而沒(méi)有裂變。在地球上天然存在的元素中，自發(fā)裂變是極其稀少的。科學(xué)家前后經(jīng)過(guò)40年對(duì)放射性和原子核轉(zhuǎn)變的研究，沒(méi)有一個(gè)人曾看到過(guò)裂變。費(fèi)米1934年曾經(jīng)用中子轟擊鈾-238得到了裂變產(chǎn)物而不認(rèn)為是裂變，以為出現(xiàn)了一種超鈾元素。1938年哈恩和斯特拉斯曼重作了費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)，在產(chǎn)物中得到了鋇（Z＝56）的明確的化學(xué)證明，他們拿不定主意是否是裂變產(chǎn)生的，所以沒(méi)有發(fā)表論文。首先正確解釋鈾核裂變的榮譽(yù)，屬于奧地利物理學(xué)家邁特內(nèi)與他的外甥弗里施。他們?cè)?939年1月提出，受到中子轟擊而激發(fā)的鈾可以分裂成為幾乎相等大小的碎片。
裂變的發(fā)現(xiàn)猶如種子落入沃土。玻爾和惠勒以驚人的速度發(fā)表了關(guān)于裂變的理論。以同樣的速度，物理學(xué)家們抓住了它的實(shí)際潛力，開(kāi)創(chuàng)了大規(guī)模釋放能量的研究。
要對(duì)裂變釋放能量的前景作出估計(jì)必須回答三個(gè)基本問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題：裂變中釋放出來(lái)的能量是多少？這個(gè)問(wèn)題最容易回答：根據(jù)比結(jié)合能曲線，可以預(yù)期的答案是每個(gè)核子約1兆電子伏，或一次裂變事件約200兆電子伏。這個(gè)能量很快地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚c裂變事件的原子核過(guò)程無(wú)關(guān)，它對(duì)繼續(xù)發(fā)生裂變沒(méi)有多大關(guān)系。
第二個(gè)問(wèn)題：哪些原子核是最可能裂變的？
第三個(gè)問(wèn)題：在一次裂變事件中發(fā)射出多少中子？
1939年，玻爾和惠勒提出了原子核裂變的液滴模型。他們?cè)O(shè)想，通常的液體具有表面張力，這是由于表面分子只在一側(cè)受到其他分子的包圍，因此，比起內(nèi)部的分子它們所受到的束縛要小些。由于具有表面張力，一滴液體總是趨于球形以盡量減少其表面積。核子的行為類同于液體中的分子，原子核可以看成象一個(gè)球狀的小水珠，其中質(zhì)子和中子在不斷地運(yùn)動(dòng)著。這種運(yùn)動(dòng)使得原子核在某一瞬間會(huì)變成不規(guī)則的形狀。特別是當(dāng)核內(nèi)受到某種能量的擾動(dòng)，使原子核處于較高能量的激發(fā)態(tài)時(shí)，原子核變形就更厲害。像液滴一樣，原子核形狀的改變超過(guò)一定的臨界程度就會(huì)分裂。
重核中有兩個(gè)起作用的力：一個(gè)是核力，它使原子核凝聚在一起；另一個(gè)是庫(kù)侖力，它趨于把原子核拉開(kāi)。吸引的核力產(chǎn)生一個(gè)有效表面張力，趨于維持原子核為近似的球形。質(zhì)子間的庫(kù)侖斥力趨于使原子核拉開(kāi)。在臨界形變以下，表面張力占優(yōu)勢(shì)。超過(guò)臨界形變，庫(kù)侖斥力占優(yōu)勢(shì)。我們知道，核力支配著所有的原子核，但是，對(duì)于最重的原子核，核力僅能勉強(qiáng)控制住。如果一個(gè)鈾核從其正常形狀稍稍變形，則核力占優(yōu)勢(shì)，使之恢復(fù)到原有形狀。如果進(jìn)一步變形，則斥力占優(yōu)勢(shì)，核將分裂為二（有時(shí)為三）。
在這兩種形變程度之間，有一勢(shì)壘。勢(shì)壘的大小取決于庫(kù)侖能和表面張力能的相對(duì)大小。庫(kù)侖能近似地與Z2/R成正比：
U庫(kù)～Z2/R
另一個(gè)有關(guān)系的能量是原子核的表面張力能。它與原子核的表面積（或原子核半徑的平方）成正比：
U表面～R2
因此比值U庫(kù)/ U表面與Z2/R3成正比。而R3與質(zhì)量數(shù)A成正比，從而可寫出
U庫(kù)/ U表面～Z2/ R3～Z2/A
玻爾認(rèn)為這個(gè)比值可以作為裂變勢(shì)壘的重要參數(shù)。其值越大，斥力就越占優(yōu)勢(shì)，因而原子核裂變就越容易。因此Z2/A值大的情況相當(dāng)于裂變勢(shì)壘低?？紤]鈾的兩種主要同位素，對(duì)其中的每個(gè)核加一個(gè)中子：
235U + n = 236U：Z2/A = 35.9
238U + n = 239U：Z2/A = 35.4
由于這個(gè)小差別，236U的裂變就比239U容易些。實(shí)際情況確是如此，235U與慢中子作用就可發(fā)生裂變。如圖2.13所示。
還有一個(gè)區(qū)分兩個(gè)同位素裂變能力的標(biāo)志性參數(shù)是激發(fā)能，它比勢(shì)壘參數(shù)更為重要。在原子核的比結(jié)合能曲線中有一個(gè)細(xì)微而不明顯的效應(yīng)是，偶數(shù)A的原子核中，每個(gè)核子的結(jié)合能比其相鄰奇數(shù)A的原子核中的結(jié)合能稍大些。因此，235U俘獲一個(gè)慢中子后形成一個(gè)偶數(shù)A的核，它比238U俘獲一個(gè)慢中子后形成的奇數(shù)A核束縛得更緊密，而且可以提供更多的激發(fā)能。
這個(gè)差別非常重要。235U吸收一個(gè)慢中子形成236U，可以放出6.4兆電子伏的結(jié)合能，提供了足夠的能量以克服裂變勢(shì)壘。因此，235U不管吸收多大動(dòng)能的中子，都會(huì)引起核裂變；而慢中子在核附近逗留的時(shí)間長(zhǎng)，引起核裂變的機(jī)會(huì)也就更大。238U則不然，當(dāng)它吸收一個(gè)慢中子形成239U后，只能放出4.8兆電子伏的結(jié)合能，不足以克服裂變勢(shì)壘。只有當(dāng)入射中子的動(dòng)能足夠大，當(dāng)238U吸收后，入射中子的動(dòng)能加上結(jié)合能足以克服裂變勢(shì)壘時(shí)，才能發(fā)生裂變。
入射中子剛剛能引起238U發(fā)生裂變的動(dòng)能，稱為克服裂變勢(shì)壘的“閾能”（即產(chǎn)生裂變的最低能量）。因?yàn)槁凶右?38U裂變的機(jī)會(huì)（稱裂變截面）很小，而且裂變截面隨中子能量的變化不大，故很難說(shuō)從哪一能量開(kāi)始238U 剛好發(fā)生裂變。在核工程學(xué)中，有時(shí)取1.4兆電子伏為238U 的閾能，在一般教科書(shū)中取1.1兆電子伏作為能引起238U裂變的閾能。
用Z2/A這個(gè)裂變勢(shì)壘參數(shù)，可以猜測(cè)Z比92大的超鈾元素應(yīng)該比鈾更加容易裂變。因?yàn)閆2在分子上，是二次方，變化大；而A在分母上，是一次方，相對(duì)變化小些。一旦能夠“制造”超鈾同位素，建造新的反應(yīng)堆或制造炸彈，不就更容易了嗎?，F(xiàn)在考慮的實(shí)際同位素是钚-239（239Pu，Z＝94）。它是238U俘獲一個(gè)中子后經(jīng)過(guò)兩次衰變而來(lái)的，如圖2.14所示。
钚-239是一個(gè)高度可裂變的同位素：239Pu + n = 240Pu： Z2/A = 36.8
由于其Z2/A值較大，钚-240的裂變勢(shì)壘比每一種鈾的同位素都要低些。它和鈾-236一樣有一個(gè)偶數(shù)的A值，而偶數(shù)A值的好處是有大的中子結(jié)合能。因?yàn)轭杏腥绱舜蟮膬?yōu)越性，所以研究和生產(chǎn)钚的技術(shù)發(fā)展很快。1939年钚還未被知曉和命名，而在1945年夏天就生產(chǎn)出了世界上第一顆钚炸彈。日本長(zhǎng)崎是第一個(gè)遭受钚彈災(zāi)難的城市。
