鍊式反應

鍊式反應

核反應類型
鍊式反應(Chain Reac-tion),指事件結果包含有事件發生條件的反應,分為單事件鍊式反應(如鈾核裂變)和多事件鍊式反應(如化學中的多催化反應,經濟學中的金融危機)。一般地,鍊式反應指核物理中,核反應産物之一又引起同類核反應繼續發生、并逐代延續進行下去的過程。有焰燃燒都存在鍊式反應。
    中文名:鍊式反應 外文名: 别名: 概念:事件結果包含有事件發生條件 單事件鍊式:鈾核裂變 多事件鍊式:多催化反應 鍊式反應:核反應産物

概念

事件結果包含有事件發生條件的反應稱為鍊式反應。如有焰燃燒都存在鍊式反應。當某種可燃物受熱,它不僅會汽化,而且該可燃物的分子會發生熱解作用從而産生自由基。自由基是一種高度活潑的化學形态,能與其他的自由基和分子反應,而使燃燒持續進行下去,這就是燃燒的鍊式反應。n

但一般地,鍊式反應指核物理中,核反應産物之一又引起同類核反應繼續發生、并逐代延續進行下去的過程。

鈾核裂變

鈾核裂變的假說一經提出,所有的物理實驗室立刻沸騰起來了,對這一現象展開了緊張的研究。在不到一年的時間内,所發表的有關核裂變的科學論文,總共達一百多篇,這在物理史上是沒有前例的。在很短的時期内,不但搞清楚了核裂變的基本特性,并且揭示了這一發現的深刻意義。鈾核裂變的基本特性是不對稱裂變

不對稱裂變

鈾核吸收一個中子以後,按30多種不同的方式發生裂變,生成的碎片又發生一系列的β衰變,因此,一共産生30多種元素的近300種同位素

中子過剩

鈾核裂變時,分裂成兩個碎片的情況是最常見的,也曾觀察到分裂成三個(甚至四個)碎片的情況,不過發生的幾率很小,隻有千分之幾。這種所謂“三裂變”現象,是中國著名核物理學家錢三強、何澤慧夫婦于1946年首先發現的。三裂變的幾率雖然很小,但由于它能更清楚地說明裂變機制,所以目前仍在對它進行研究。n

核裂變所生成的碎片一般都是中子過剩的,它們以發射電子(β衰變)的方式逐漸将過剩的中子轉變成質子,即通過一連串的β衰變而到達穩定狀态。由于這個緣故,大多數裂變産物通常都是β放射性同位素。為什麼核裂變産生的碎片通常是中子過剩的呢?為什麼不是缺少中子或中子數與質子數正合适呢?n

我們知道,原子核是由質子和中子(統稱核子)組成的。核子之間存在一種很強的作用力,叫做核力,這種力是一種短程吸引力。在原子核内,這種作用力很強,在原子核外,迅速降到零,核子就是靠這種力保持在原子核内的。另外質子間還存在靜電斥力,随着原子序數的增加,即随着原子核内質子數的增加,靜電斥力也增大。

因此,為維持核的穩定性,需要更多的過剩中子所産生的核力來平衡這一斥力。因而,穩定原子核的核内中子數和質子數的比值,随着原子序數的增加而變大。例如輕元素碳、氧等的中子數與質子數之比為1,中等質量的元素溴、鋇等為1.3,而鈾、钍等重元素則增大到1.6。原子核的中子數和質子數之比若小于或大于相應的合适比值,都将是不穩定的。n

對于鈾核裂變的情況來說,鈾的中子數與質子數之比約為1.6,那麼,生成的碎片的中子數與質子數之比當然也是1.6左右。但是裂變生成的是中等質量的元素,它們在中子數與質子數之比為1.3左右時才是穩定的。顯然,這些碎片是中子過剩的,必然會以β衰變的方式,使中子數與質子數之比降到1.3左右,從而達到穩定狀态。

次級中子和質能轉換

不過由此也自然會産生這樣的問題:在鈾核裂變的過程中,是否會有一些過剩的中子不留在碎片内,而直接以自由中子的形式發射出來呢?這個重要問題曾由許多科學工作者加以研究,結果表明,鈾核裂變時确實會放出一些自由中子,這些中子通常叫做次級中子。在講述這一事實所蘊含的巨大意義之前,我們先來看一看另一個重要的事實:在鈾核裂變放出次級中子的同時,還會釋放出巨大的能量,請看下面的計算:n

假定鈾235吸收一個中子後,裂變成一個溴85核和一個镧148核,同時放出三個中子。鈾235的質量為235.124,溴85的質量為84.938,镧148的質量為147.96,中子的質量為1.009。n因此裂變前的質量總和為:235.124+1.009=236.133;n裂變後的質量總和為:147.96+84.938+3×1.009=235.925;n裂變過程中質量的減少為:236.133-235.925=0.208。n

鈾核裂變時,一是放出中子,二是放出巨大的能量,這兩種可貴的性質緊緊地吸引着人們的注意力。人們特别感興趣的是每次裂變究竟能放出多少個中子,因為這關系到究竟能否實現鍊式反應,也就是關系到能否在實際利用原子能方面開辟一條道路的問題。n

經過許多科學工作者的努力,很快就确定了每個鈾235核發生裂變時平均約放出2.5個中子。大自然為我們作了這—具有特殊意義的安排:次級中子數大于1!從而使鈾核裂變現象的發現成為不平凡的發現。如果每次裂變産生的平均次級中子數小于1的話,那麼這一發現的價值和我們對它的興趣就完全不同了。n

一個鈾核在一個中子作用下發生裂變,如果裂變時放出兩個次級中子,這兩個次級中子又引起兩個鈾核發生裂變,放出四個次級中子,這四個中子再引起四個鈾核發生裂變……如此下去,反應的規模将自動地變得越來越大,一幅鈾核鍊式反應的圖景,立即展現在我們面前,它吸引了多少科學家啊!

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