原子核裂变与原子弹

原子核裂变是指一个原子核分裂成几个原子核的变化,只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核,同时放出2~3个中子以及很大的能量,又能使别的原子核接着发生核裂变,使过程持续进行下去,这种过程称为链式反应。原子核在发生核裂变时,释放出的巨大能量称为原子核能,俗称原子能。1 g铀-235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5 t优质煤所产生的能量。

原子核裂变具有两种模式。一种是由重原子核自发地裂变,并释放出能量。另一种是在中子的作用下引发的核裂变,这种原子核裂变方式是人类迄今为止大量释放原子能的主要方式。

核裂变是在1938年发现的,由于当时第二次世界大战的需要,核裂变被首先用于制造威力巨大的原子武器——原子弹。它是利用铀和钚等较容易裂变的重原子核,在核裂变瞬间发出巨大能量的原理而制造的。铀-235和钚-239等此类重原子核在中子的轰击后,通常会分裂变成两个中等质量的核,同时再放出2~3个中子和200兆电子伏特能量。在裂变中放出的中子,一些在裂变系统中损耗了,而另一些则继续进行重核裂变反应。只要在每一次的核裂变中所裂变出的中子数平均多于一个,核裂变就可继续进行,如图4.5所示。一次一次的反应后,裂变出的中子总数以指数形式增长,而产生的能量也随之剧增,如果不加控制,这个裂变系统会变为一个激烈的链式裂变反应。在不到1μs的时间内,1 kg的铀或钚中所产生的能量相当于2万t TNT当量。

原子武器有空中、地面和地下三种爆炸方式。原子武器爆炸时,能产生多种杀伤破坏作用,如图4.6所示。当原子弹爆炸时,切忌看火球,应立即利用就近的工事和有利地形、地物进行隐蔽。在开阔地面上的人员,要立即背向爆心卧倒。卧倒时收腹,双手垫胸下,闭眼张口,脸贴于两臂间。遇热空气时暂时憋气。未来得及离开房间的人员,应避开窗口、火炉等,卧倒在靠爆炸方向的墙根处、桌下或床下。

图4.5　铀原子核裂变

图4.6　世界上第一枚原子弹

目前,人们除了将核裂变用于制造原子弹外,更努力研究利用核裂变产生的巨大能量为人类造福,让核裂变始终在人们的控制下进行,核电站就是这样的装置。