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19.6: 核裂变
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核裂变
 
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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。


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