裂變效應

德國科學家哈恩和奧地利物理學家梅特涅於20世紀30年代在柏林一起工作時，發現了鈾原子核裂變這一重要現象。重原子核分裂成兩個或多個較輕原子核的過程，物理上稱之為“裂變”。裂變自動持續下去的反應過程叫鏈式反應。裂變效應由此得名。

核裂變，是一個重原子的原子核分裂為兩個或更多較輕原子核、並在分裂時兩到三個自由中子並釋放巨大能量的過程。裂變時釋放的能量是相當巨大的，1千克鈾-235的全部核的裂變將產生20,000兆瓦小時的能量(足以讓20兆瓦的發電站運轉1,000小時)，與燃燒300萬噸煤釋放的能量一樣多。

（23592U平均產生2.5個中子）以及許多能量。典型的核裂反應如有：

23592U 10n—→14156Ba 9236Kr 310n 能量

23592U 10n—→10342Mo 13150Sn 210n 能量

式中10n是中子。

從上面的核反應方程來看，同一種核可能不只按一種方式分裂。裂變產物如14156Ba和9236Kr還能放射β粒子（0－1e）和γ射線（00γ），直到最後變成穩定的同位素。

14156Ba—→0－1e 00γ 14157La

9236Kr—→0-1e 00γ 9237Rb

這些反應的產物還能繼續放出β粒子，在幾個步驟之後，變成穩定的同位素，分別為14159Pr和9040Zr。

能裂變的23592U在天然鈾礦中只佔0.7%，其餘的99.3%都是不能被熱中子分裂的23892U。反應堆里用的鈾棒是天然鈾或濃縮鈾（鈾235的含量佔2～4%）製成的。裂變產生的是速度很大的快中子，很容易被鈾235俘獲而不發生裂變，必須設法把快中子變為慢中子。因此，要在鈾棒周圍放上叫做減緩劑的物質，它們不吸收或很少吸收中子，使快中子跟它們碰撞后，能量減小，速度減緩。常用的減緩劑有石墨、重水和普通水。如果放出的快中子被減緩速度，它們就能引起其他重原子發生裂變，這些核放出9個中子再引起9個鈾原子核裂變，這些裂變產生的27個中子再產生81個中子，……。這個過程叫做鏈式反應。在一定體積內，鈾樣品應具有足夠的量維持鏈反應，這最低的樣品量叫做臨界質量。

發生裂變時放出的巨大能量，可以按著名的愛因斯坦質能關係式E=mc2計算。這裡，E是來自一定質量m損失的能量，c是光速。如果使彼此分開的中子、電子和質子結合成任一特定的原子，就會發生質量虧損。例如，根據各組成粒子的質量能算出一個42He原子質量是4.032982u。而由42He原子的實測質量是4.002604u，所以質量虧損是0.030378u。由於原子比彼此分開的中子、質子和電子更穩定，原子處於較低的能級。因此，假定42He原子由分開的質子、電子、中子構成，則每個原子損失的0.030378u將以能量的形式釋放出來。跟質量虧損相當的能量叫做原子核結合能。結合能和鍵能類似，兩者都是把整體（原子核或分子）拆散成基本組分所需能量的量度。彼此分開的核粒子比它們在核內結合時有更大的質量。

1kg23592U或23994Pu裂變時釋放的能量約相當於20000tTNT。

原子序數在30～63之間的元素比起非常輕和非常重的元素，每個核粒子有較大的質量虧損，這意味著最穩定的核存在於原子序30～63的元素之間。由於它們相對穩定性較好，絕大部分的核裂變產物都是原子序數為中間的元素。因此，當發生裂變並生成較小的更穩定的核時，這些粒子的總質量減小，質量必然要轉變為能量。