[科普中国]-裂变元素

裂变是指一个质量大的重原子核分裂成 为两个或几个其他原子核，同时可能放出中子的过程。这个过程可以是自发的，也可以是诱发的。裂变时能释放出巨大能量，是取得原子能的一个途径。裂变元素是指能发生裂变反应的元素，如铀、钚、钍这些元素。

简介裂变元素简单来说就是指能发生核裂变反应的化学元素，主要有钍232、铀233、 铀235、铀238、钚239、钚240等数种。裂变元素按照它们的原子核是否易于裂变而分成两类。当用任意能量的中子轰击时，都能引起其原子核裂变的可裂变核素，称为易裂变核素。用来轰击可裂变核素原子核可以引起裂变反应的中子的能量是有所不同的；而对易裂变核素原子核，可用任意能量的中子来轰击并引起其裂变。在实用中按照中子能量(也即中子速度)的大小把中子粗略地分成为快中子、中能中子和热中子三种。

有关元素铀是自然产生的最重的金属。呈银白色，具有硬度强、密度高、可延展、有放射性等特征。一般在铀与氧、氧化物或硅酸盐的结合中发现铀。铀原子能分裂释放大量能量从而能产生电力，制造核武器。

钍是一种天然放射性金属元素。因其贮量比铀更丰富且不会产生钚-239，故有可能被用作核反应堆的燃料。钍的氧化物(二氧化钍)是已知熔点最高的物质之一(3300℃)。它因加热后会变白，故被用于制作煤气灯的灯罩。原子序数90，原子量232.038，熔点1755℃，沸点4788℃。

钚是最重要的超铀元素。钚(原子序数94)是人工生成的。在核反应堆里，天然铀在一系列核反应下吸收中子而成。与构成天然铀99.3%的铀238同位素不同，最重要的钚同位素 (钚239)是可燃材料，可以用在原子弹里和用作核反应堆的原料。大量生产钚并将它与铀分离的工作开始於第二次大战的末期，第一个含钚的炸弹於1945年爆炸於墨西哥。快速增殖反应堆除供应能源外还同时产生过量钚。

裂变反应核裂变，简单地说，就是一个重核裂变成两到三个中等质量的原子核，同时释放大量的能量，且伴随2~3 个中子放出的现象1。裂变反应是一个重原子核分裂为两块以上质量不同的较轻原子核的核反应。有自发裂变和感生裂变两种。自发裂变是重核不稳定性的表现；感生裂变是重核受到中子、带电粒子或光子轰击时的分裂反应。原子弹就是根据感生裂变反应原理设计的。裂变时释放的能量是相当巨大的，1千克铀全部裂变释放的能量超过2000吨煤完全燃烧时释放的热量。 1个铀-235可能发生以下裂变：

U-235+n-1===Kr-89+Ba-144+3n
裂变平均产生2.4个中子和215兆电子伏特的能量。裂变释放能量是因为原子核中质量与能量的储存方式以铁及相关元素成核，从最重的元 素一直到铁，能量储存效率基本上是连续变化的。所以，重核能够分裂为较轻核(到铁为止)的任何过程在能量关系上都是有利的。如果较重元素的核能够分裂并形 成较轻的核，就会有能量释放出来。然而，很多这类重元素的核一旦在恒星内部形成，虽然在形成时需要输入能量(取自超新星爆发)，但是却是很稳定的。不稳定的重核，比如铀-235 的核，可以自发裂变。快速运动的中子撞击不稳定核时，也能触发裂变。由于裂变本身释放分裂的核内中子，所以如果将足够数量的放射性物质(如铀-235)堆 在一起，那么一个核的自发裂变将触发近旁两个或更多核的裂变，其中每一个至少又触发另外两个核的裂变，依此类推而发生所谓的链式反应。这就是称之为原子弹(实际上是核弹)和用于发电的核反应堆(受控的缓慢裂变)的能量释放过程。
对于核弹，链式反应是失控的裂变引发的爆炸，因为每个核的裂变引起临近的几个原子核的裂变。对于核反应堆，反应进行的速率用插入铀(或其他放射性物质)中的可吸收中子的物质（一般用石墨和镉棒）来控制，使得平均起来每个核的裂变正好引发另外一个核的裂变。 1千克铀-235的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时)，与燃烧300万吨煤释放的能量一样多。

核裂变反应的结果生成几个中等质量数的裂变碎片及其衰变产物。有很多可能核裂变方式，其绝大多数是分裂成两个裂变碎片核。对于热中子引起的235U的裂变来说，已发现了约30多种不同裂变方式，也即约有60多种裂变碎片。裂变碎片的质量数大都分布在72～158之间。几乎所有的裂变碎片都是不稳定的，它们要经过一系列β及γ衰变。这样在最终裂变产物中可能包括了有300多种不同核素的各种放射性及稳定核同位素。

裂变产物中有些核素有较长的半衰期或较强的放射性，这将给它们的运输及最终安全储存(见放射性废物处置)都带来一系列的特殊问题。这也是在利用裂变能量时必须考虑的重要问题之一。有些裂变产物如135Xe和149Sm都具有相当大的热中子吸收截面，它们将会吸收反应堆内的热中子，从而影响到反应堆的中子平衡。因此，对这些裂变产物的产生、衰变及消失的过程要加以认真研究。

有关背景从十九世纪末到二十世纪初，科学家们连续不断地对奇妙的原子世界进行了深入而又细致的研究，并取得了很多伟大的成就。他们找到了比原子更小的电子；进一步发现了原子核的存在；通过精确测量，鉴别了同位素；对原子核的特性(包括核电荷、核质量和核体积等)进行了初步探索。1919 年卢瑟福成功地实现了人类有史以来第一次人工核反应，并从核反应的过程中观察到了一种新的粒子—质子。从此人们不但知道在原子核中的确存在质子，而且通过核反应，人们也能够把一种元素转变成另外一种新元素。1932 年，查德威克通发现了中子，使科学家们能顺利地摆脱当时有关原子核结构上某些假设的困境。德国物理学家海森堡提出了原子核是由质子和中子构成的学说。根据这一学说，就能容易地解释周期表上各种元素的原子核构造。1934 年约里奥·居里夫妇用化学分析方法正确无误地证实了人工放射性现象的存在，并从这一伟大发现中获得了第一批人工放射性核素。人工放射性核素的发现，给原子核构造理论赋与了新内容。它告诉我们，除了自然界天然存在的放射性元素如钋、镭等以外，还可利用 α 粒子、中子等去轰击稳定元素，从而生产出多种的人工放射性核素。约里奥·居里夫妇的这一伟大发现为人工制造放射性核素开辟了十分广阔的远景2。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学