【极小篇｜第四章：核物理】04 核裂变

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严老师讲义 

原子能的发现和利用可以说是20世纪最重要的科技大飞跃之一。其中原子弹的发明虽然不能说是件好事，但客观上确实让二战提前结束了。此外，核电站的发明给人类提供了一种全新、高效的获取能源的方式，但是它的隐患也不小。例如1986年前苏联切尔诺贝利核电站的爆炸，以及2011年日本福岛核电站的核泄漏事件，都是人类历史上的重大悲剧。

原子弹以及核电厂释放能量的方式都来自于同一种核反应——核裂变。

4.4.1 核裂变

核裂变的发现其实是个偶然。20世纪30年代，几位德国科学家试图通过实验人工合成各种元素，这可以说是新时代的炼金术。我们清楚原子核无非是由不同数量的质子和中子构成的。原则上只要在原子核里加入新的质子和中子，就能不断造出新的元素。这个过程本来挺顺利的，但当进行到92号元素铀时，科学家们发现无论如何都加不进新的质子和中子，产生新元素了。

与此同时，一种新的核反应——核裂变被发现了。顾名思义，核裂变就是让原子核分裂的核反应。用中子轰击铀元素的原子核会产生几种分裂方式，常见的是分裂成钡和氪并释放出三个中子，并且在分裂的过程中会放出能量。这些能量是哪里来的呢？有两种解释。

第一种解释是：这些能量是原子核的质子和中子之间结合能的释放。

原子核的结合力是强相互作用力，这种力十分强大。介子提供的强力像一根弹簧一样，把质子和中子连在一起，由于强力非常强，可以想象这根弹簧应该非常紧。被充分压缩的弹簧里面储藏着弹性势能，原子核间靠强力连接的这根“弹簧”储存的能量，就是结合能。这种结合能就是核能的来源。裂变的过程本质上是让重的原子分裂成轻的原子，这个过程可以理解为很多“强力弹簧”里蕴藏的巨大能量被释放了出来。

另一种解释则是基于爱因斯坦的狭义相对论之上的。因为反应前后物质的质量有所亏损，这部分亏损转化成了能量。由于E=mc²，只要亏损一点点质量就有巨大的能量转化。

4.4.2 链式反应

核裂变是攫取原子核能量的方式。但是要制造一颗原子弹还需要其它条件，这个条件就是链式反应。当裂变发生时，重原子除了在中子的轰击下会分裂成若干个轻的原子并释放出能量以外，还会放出新的中子。这些新的中子再去轰击周围的重原子同时发生新的核裂变，新的核裂变又会放出新的中子，这些新的中子会继续轰击新的重原子。就像多米诺骨牌一样，一路反应下去。

这种反应模式像一根链条一环环相互连接，所以叫链式反应。只有当发生链式反应时，核裂变才能从整体上释放巨大的能量。

铀元素能用来制作原子弹，就是因为铀的同位素铀235（铀235是铀元素里中子数为143的放射性同位素）能够释放拥有足够能量的中子，开启链式反应。正常的铀元素——铀238，释放的中子能量不够高，即便打到其它铀原子上也无法进行下一轮核裂变。所以原子弹的反应材料通常是铀235。

4.4.3 临界质量

有了核裂变和链式反应，原则上原子弹就能爆炸了。但是实操层面上还需要达到一个条件——临界质量。因为存在反应几率的问题，一个铀235原子裂变放出的中子未必全都能打到铀原子上，这取决于它周围的铀原子是不是足够多。因此要完成完整的爆炸过程，必须要有足够多的铀，这就是临界质量。

原子弹的爆炸原理其实非常简单：在原子弹中放置若干块质量未达到临界质量的铀235，爆炸点火的过程就是把这些未达到临界质量的铀合并在一起。一旦达到临界质量，原子弹就被引爆了。

4.4.4 减速剂

实际操作上，我们还可以通过技术手段增加中子与铀原子的反应几率，这就是减速剂的功效。通常来说，核裂变产生的中子速度极快。尽管速度快是好事，能量足够高的中子才能够把原子核打破产生新的核裂变。但与此同时也存在一个问题：因为速度越快越难捕捉，这会降低中子击中铀原子的几率，因此需要减速剂。

减速剂通常是石墨和重水。重水 ( D2O ) 就是把水分子里的氢元素换成它的同位素氘，氘有一个质子和一个中子。这些物质放在铀里面，就可以充当中子的减速剂。减速剂的效果是把反应的中子速度减慢从而增加反应几率，但同时不会把中子的速度降到使裂变能够发生的速度以下。

核裂变释放的能量是巨大的，但是对于环境的污染也很严重。比如被原子弹污染过的地区，其辐射造成的影响百余年都难以消散。因此，核聚变是一种更加清洁的核能，并且它释放能量的效率更高。

下一节，我们来讲核聚变。