原子核的裂变与聚变

如果一个具有高质量数的原子核分离或者裂变成两部分时，就会释放能量，分裂成的每一部分的核子的平均结合能都比原来的原子核的结合能大。能量释放的发生是因为这种分裂产生了质子数低的产物，这种产物的单位核子的平均结合能高于原来质子数高的单位核子平均结合能(页边图2-8)。从较低的单位核子平均结合能的状态向较高的单位核子平均结合能的状态的转换，导致了能量的释放。这是对以前的关于电子从L层跃迁到K层时能量释放的讨论的回顾。但是，从原子核能级之间的跃迁而获得的能量比电子跃迁时释放的能量大。

某些质量数A很高的核子(如235U，239Pu，233U)在吸收了缓慢运动的中子后便会自发裂变。对于235U来说，一个典型的裂变反应如下:+3个中子+能量Q。

释放的能量用Q表示，每次裂变的平均能量超过200Me V。能量释放主要有γ射线，裂变产物和中子的动能以及热和光等。像9236Kr、14156Ba这样的产物叫裂变副产物，且具有放射性。许多不同的副产物在裂变中产生。在裂变时产生的中子可能与其他235U核子相互作用，若有足够数量的可裂变材料(临界质量)容纳在一个小体积内，可能会产生链式反应。材料的裂变速度可以通过控制与可裂变核子相互作用的中子数量而加以调节。在核反应堆中裂变反应就是通过这样的方式控制的。不受控制的裂变反应会导致“原子爆炸”。

核裂变被恩里科·费米于1934年在一次实验期间首次观察到［31，32］。然而，直到1939年哈恩和斯特拉斯曼［33］、迈特那和弗里希［34］发表了相关分析后，这个过程才得到正确的描述。1942年在芝加哥大学人们第一次成功地完成了受控链式反应。1945年第一颗原子弹在新墨西哥州的阿拉莫戈多市爆炸［35］。

一些小质量的核子可以结合而产生一个单位核子平均结合能比原来任何一个核子都高的原子核。这个过程叫做核聚变(页边图2-8)，也会伴随着大量能量的释放。一个典型的反应是:+中子+能量Q。在这个特定的反应中，Q=18Me V。

为了形成每个核子具有的平均结合能更高的产物，核子之间必须保持足够近的距离，这样核力才能引发聚变。在这一过程中，当两个核子相互靠近时，必须克服强大的静电排斥力。高速运动的核子拥有足够的动量来克服这一排斥力。我们可以通过把质子数较低的样品加热到高于12×来获得足够大的速度，这个温度大概相当于太阳内部的温度。这样高的温度可以在裂变爆炸的中心得到。因此，一个聚变(氢)炸弹是被一个裂变炸弹“触发”的。尽管人们已经尽了很大的努力，受控核聚变仍然没有大规模地获得成功。