高中物理人教大纲版第三册：22.6 裂变 （备课资料）.docVIP

●备课资料 一、核裂变链式反应的发现 1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，使氮原子嬗变成了氧原子，首次实现了原子核人工嬗变，把一种化学元素变成了另一种化学元素，被誉为当代炼金术.卢瑟福的一部著作取名就叫“新炼金术”.1932年，卢瑟福的学生查得威克发现中子.由于中子是电中性的，不受静电力的影响，因此很适合作为“炮弹”去轰击原子核. 1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝，产生了一个天然不存在的放射性元素即磷的同位素，这个同位素是不稳定的，产生之后很快蜕变为稳定元素硅，同时放出正电子.这一实验的重大意义在于，它首次人工产生了放射性元素. 迄今为止，虽然原子物理学仍在很快发展，但人们还看不到原子能实际利用的可能性.最先敲开原子大门的卢瑟福在1933年的一次演说时说：“一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量，这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的.把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已.”爱因斯坦也作如是观，当记者问他原子能是否可能被实际利用，他回答说：“那就像夜里在鸟类稀少的野外捕鸟一样.”最伟大的科学家都没料到原子能时代已经近在咫尺. 约里奥—居里夫妇的实验激励实验物理学家们致力于轰击原子核的工作.1934年，意大利物理学家费米（1901—1954年）改用新发现的中子去逐个轰击元素周期表上的元素原子，到氟时终于得到了放射性同位素，在短短几个月内发现了数十种放射性同位素.费米还意外地发现，在中子源与被轰击的银金属之间放一块石蜡后，所激发的核反应更为强烈，这就是说，经过减速后，中子引致核反应的能力更强了.这一发现被认为是原子时代的“真正起点”.费米因此而获1938年诺贝尔物理学奖. 费米的研究小组继续沿着元素周期表往下实验.轰到铀时，他们猜想应该能得到一个原子序数为93的超铀元素，但结果有些异常，但他们还是以为出现了超铀元素，未对异常现象进一步深究.后来，有不少其他核物理学家同时发现了异常现象.主要的异常是，用中子轰击之后的铀产生了许多新的放射性元素，而这些元素在周期表中并不与铀邻近.德国女化学家诺达克提出，在中子轰击下，铀分裂成几块，只有这样才能解释新出现的放射性元素与铀并不邻近的“奇怪”现象.但这一观点不被人们接受，因为看起来，慢中子能量这样小，怎么能将铀的核打碎呢？1938年，德国物理学家哈恩（1879—1968年）受约里奥—居里夫人实验报告的启发，也重做了有关的实验，并且确信铀嬗变后出现的确实是钡、镧等这样一些与铀相距甚远的元素.哈恩对实验结果感到十分迷惑，便将这些结果和疑问写信告诉了奥地利女物理学家迈特纳（1878—1968年）.迈特纳提出了一个大胆的猜想：铀核在俘获了一个中子后分裂成两个大致相等的部分，她称这一过程为“分裂核”，玻尔后来改称为“核裂变”.她认为裂变过程要发生质量亏损，根据爱因斯坦的质能关系式，裂变应将放出大量的能量.迈特纳的侄儿弗里希将姑母的这个想法告诉了玻尔，并说自己要着手验证这个想法.玻尔当时正准备起程去美国开会，刚一到美国，弗里希就电告实验已经证实了迈特纳的想法.玻尔立即将消息告诉了与会的物理学家们，引起了强烈的轰动，有的人连报告都没有听完就赶回去做实验.原子核裂变的实验事实很快就得到了公认.哈恩为此获得1944年诺贝尔物理奖. 核裂变的发现很自然促使人们想到链式反应的可能性.所谓链式反应就是，当中子轰击铀核使核发生分裂时，又有新的中子产生从而再轰击别的铀核，使这一反应像链条一样一环扣一环的持续下去.费米在得到核裂变的消息后，当即提出了链式反应的概念，并预言一个重核裂变成两个轻核时一定会出现多余的中子.约里奥—居里夫妇率先证实了链式反应的可能性，他们发现，链式反应速度非常之快. 就在第二次世界大战爆发前两天，玻尔和惠勒指出，铀235比铀238更能发生裂变，而慢中子更能引起裂变.释放原子核能的理论和实验依据已经齐备，科学家们已经清楚地认识到，只要链式反应一开始，无比巨大的能量就会在极短的时间内爆发出来. 二、核裂变的机理及链式反应的条件 由于较重的原子核核子平均质量较大，其稳定程度较小，比较容易吸收其他粒子.如当中子打进铀235后，形成一个新的处于激发态的核，由于其中核子的剧烈运动，核子间的距离增大，核子之间的吸引力（核力）迅速减小，不足以克服质子之间的库仑斥力，核就分裂成两部分，产生裂变.一个铀核裂变产生的中子又不断引起其他铀核的裂变，就形成了链式反应. 但维持链式反应要有一定的条件.如果每次裂变放出的中子平均有一个能再度引起裂变反应，或者说一代裂变中子的总数不少于前一代的中子数，链式反应就能维持下去.由于裂变中放出的中子有的可能从裂变物质中漏失出去，有的可能被裂变物质吸收而没有产生裂变，也有的可能被裂变物质中所含的杂质吸收，所以链式反应未必能持续地进行下去.要维持链