19.6: 核裂变

许多较重的元素，每核的结合能越小，它们可以分解为更稳定的元素，这些元素具有中间质量数和每个核的结合能越大，即每核的质量数和结合能越接近结合能图的“峰值” (接近 56)。 有时还会产生中子。 大型核分解成更小的核称为裂变。 由于形成了大量不同的生成物，这种中断相当随机。 裂变通常不会自然发生，而是由中子轰炸引起的。

重元素的裂变产生了巨大的能量数量。 例如，当一摩尔铀 -235 丰度下降时，生成物的重量约为 0.2 克小于 the 反应物；这种“损失”质量被转换为一个非常大的数量 of 能量—每摩尔铀 -235 丰度约 1.8 × 10¹⁰ kJ。 与化学反应相比，核裂变反应产生了难以置信的大量能量。 例如， 1 公斤铀 -235 的裂变产生的能量大约是燃烧 1 公斤煤炭所产生的 250 万倍。

在进行裂变时，铀 -235 产生两个“中型”核和两到三个中子。 这些中子随后可能会导致其他铀 -235 原子的裂变，而这些原子又会提供更多的中子，从而导致更多核的裂变，等等。 如果发生这种情况，我们就会有核链反应。 另一方面，如果有太多中子从散装材料中逸出而不与核相互作用，则不会发生链反应。

任何中子轰炸可能导致裂变的材料称为裂变材料；通过缓慢移动的热中子进行轰炸可能导致裂变的材料也称为裂变材料。

当裂变产生的中子数量等于或超过通过分离核所吸收的中子数量加上逃逸到周围环境的数量时，核裂变就会自我维持。 支持自我维持链反应的可裂变材料的数量是一种临界质量。 无法维持链反应的裂变材料的数量是次临界质量。 一种材料的数量 (其中裂变的率值不断增加) 被称为超临界质量。

临界质量取决于材料的类型：其纯度、温度、样品形状以及中子反应的控制方式。 材料通常在较高的温度下变得较低密度，从而使中子更容易逸出。 与从球形物体中心开始的中子相比，从平面物体中心开始的中子更容易到达表面。 如果材料封装在由石墨等中子反射材料制成的容器中，则可逸出的中子要少得多，这意味着达到临界质量所需的可裂变材料要少得多。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第21.4节：嬗变与核能。

核裂变是一个过程，在这个过程中，一个重核分裂成两个或多个 不同大小的轻核，或裂变碎片和中子。值得注意的是，每次裂变的 裂变碎片和中子数量并不相同。但是，在裂变方程的两边，质量和原子序数的总和总是相同的。除了裂变产生的"瞬时"中子外，在高能裂变碎片的贝塔衰变后，还可能产生其他"延迟"中子。在裂变反应中，子核素的结合能之和 大于母核素的结合能。这种差异解释了裂变过程中 释放的巨大能量。裂变释放的中子通常是"快"中子，它们具有很高的动能，可以穿过大多数大原子核，而不会与它们相互作用。中子在与大小相似的原子核碰撞时，会损失大量能量。那些与周围环境接近平衡的 是"慢"中子或"热"中子。通过吸收热中子而发生裂变的 可裂变核素称为"易裂变"并非裂变反应中产生的所有中子 都必然引起另一个原子核的裂变。然而，当这些中子确实引发裂变时，就称为核链式反应。链式反应使用中子"代"描述。引发链式反应的中子是第一代，由此产生的裂变 产生第二代。由第二代中子引发的裂变 产生的中子 是第三代。链式反应一直持续到 不再产生中子为止。如果从一代到下一代裂变的 平均数量保持不变，能量就会以恒定的速率产生。在大多数情况下，如果中子在离开物质之前减速，这个过程更有可能发生。为了保证产生的中子有足够的物质 来引发进一步裂变，可裂变物质就需要有某种最小质量，称为临界质量。亚临界质量是低于临界质量阈值的 任何数量，超临界质量是 高于该阈值的任何数量。临界质量受温度、形状 和周围环境组成的影响。这些参数的变化会使亚临界质量达到 临界，反之亦然。