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第五章4核裂变与核聚变

问题？

较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放

出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是

怎样被转化和使用的呢？

20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”

时，会释放出惊人的能量。

核裂变的发现

1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，

生成物中有原子序数为56的元素钡。奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此给出了解释：铀

核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块（图5.4-1）。弗里施借用细胞分裂的生物学

名词，把这类核反应定名为核裂变（nuclearfission）。

图5.4-1核裂变示意图

铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪（铀236为中间过程，不

稳定），同时放出3个中子，核反应方程是

2351144891

U＋n→Ba＋Kr＋3n

92056360

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核裂变中放出中子，数目有多有少，中子的速度也有快有慢。以铀235为例，核裂变时

产生两或三个中子。如果这些中子继续与其他铀235发生反应，再引起新的核裂变，就能使

核裂变反应不断地进行下去（图5.4-2）。这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一

代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应（chainreaction）。

图5.4-2链式反应示意图

铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很

大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，很有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，链式

反应不能继续。只有当铀块足够大时，核裂变产生的中子才有足够大的概率打中某个铀核，

使链式反应进行下去。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，

相应的质量叫作临界质量。

我国科学家钱三强、何泽慧夫妇于1947年在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四

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部分，其概率大约是分裂为两部分的概率的和。这一研究成果得到了广泛的认

3005000

可和赞誉。

钱三强（1913—1992）和他的夫人何泽慧（1914—2011）

铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。如果一个铀235核裂变时释放的能

1

量按200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧

时释放的化学能！

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1t标准煤燃烧时放出2.93×10J的热量。

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拓展学习

原子弹

原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈

爆炸。

原子弹的燃料是铀235或钚239。在天然铀中只有0.7%的铀235，剩下的99.3%是不易

核裂变的铀238。为得到高浓度的铀235，就必须进行同位素分离，形成铀235含量较高的

浓缩铀。钚239在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击铀238，生成物衰

变后成为钚239，然后再利用化学方法将钚239从铀238中分离出来。

图5.4-3是“内爆