【种花家务·物理】4-10-02裂变，链式反应『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第十章原子核能
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】
§10-2裂变，链式反应
【01】1939年科学家在用中子轰击铀原子核时，发现铀原子核在俘获了一个中子以后，分裂成为两个原子量中等、质量相近的原子核，这种现象叫做铀核的裂变。铀核在裂变的时候，要放出二个到三个中子，同时释放出大量的结合能，正如前面在讨论结合能曲线时所得出的结果一样，每一个铀核发生裂变时释放出来的能量实际上都在 200 百万电子伏特左右，1 公斤铀完全裂变释放出来的能量可以达到 2×10⁷ 千瓦小时，相当于二百万公斤（2000吨）最好的煤完全燃烧时所释放出来的化学能；并且铀核在裂变时释放出几个中子，从而有可能引起其他铀核发生新的裂变，使裂变反应继续不断地进行下去，这样就为人们获得大量原子能提供了实际的可能性。
【02】铀核分裂时产生的碎片（原子量中等的原子核），有许多种可能的情况，下面的裂变反应式是其中的一种：₉₂U²³⁵＋₀n¹ → ₅₄Xe¹⁴º＋₃₈Sr⁹⁴＋2 ₀n¹＋200百万电子伏特。除此之外还可能生成：₅₆Ba 和 ₃₆Kr、₅₁Sb 和 ₄₁Nb 等。
【03】轴核受到中子轰击也有裂为三块或四块碎片的可能（如图10·2所示），这是我国科学家钱三强、何泽慧在1946年首先发现的，铀核的三分裂或四分裂的可能性实际上要比二分裂的可能性小得多。
【04】实验指出，用中子轰击铀核还会产生下面一些可能情况：有的铀核俘获了一个中子以后，只发生嬗变，同时发出 γ 射线；也有的铀核把中子弹了出去，既不吸收中子也不发生核变化。
【05】一般地说，铀核的裂变产物（碎片）可能有三、四十种之多，裂变时释放出来的结合能大部分是以碎片的动能形式表现出来，碎片以很大的速度向相反的方向飞开，然后经过碰撞把动能传递给周围的物质，以增加它们的内能。裂变时从原子核内释放出来的结合能的分配情形大致如下：
【06】一个铀原子核发生裂变时释放出来的能量是很大的，同时它的下一代中子又可能引起其他铀核发生裂变，释放出更多的能量，再产生更多的中子；这样裂变一经开始就有可能自动地持续下去（如图10·3所示），我们把这种裂变自动持续下去的反应过程称做链式反应。
【07】链式反应不是在任何情况下都能进行的，要链式反应持续进行就必须在每一个核分裂所放出的中子当中，至少平均要有一个中子能够再引起新的核分裂才行，如果我们把裂变所产生的第二代中子数跟产生它的上一代的中子数的比叫做中子的再生率，显然，产生链式反应的条件必须是中子的再生率大于 1 。
【08】怎样才能使中子的再生率大于 1 呢？先让我们简单地讨论一下，中子在铀块中可能发生的几种遭遇：
【09】(1)中子击中铀235的核。只要中子击中铀235的核，就有很大的可能引起裂变，使中子数增多，中子的速度越慢，被铀235吸收并且引起裂变的可能性就越大，如 V ≈ 2200米/秒、E ≈ 0.025电子伏特的慢中子引起铀235裂变的可能性就比较大。
【10】(2)少数能量在 1.1 百万电子伏特以上的中子击中铀238的核时，有可能引起铀核的裂变，但是，铀核把中子弹出去而不裂变的可能性更大。被铀核弹出去的中子能量逐渐降低到 1.1 百万电子伏特以下；能量在 1.1 百万电子伏特以下的中子，都不能引起核分裂，多数是被铀238所吸收，使铀238嬗变为钚，中子数减少。
【11】(3)中子被铀块中的杂质所吸收，不再释放出中子来，于是中子数减少。
【12】(4)中子在原子的空间里穿过，并没有击中原子核，最后飞出铀块的表面，中子数减少。
【13】在这几种可能发生的情况下，只有(1)和(2)中引起裂变的遭遇对中子的增殖是有利的，也只有在这些有利的遭遇中所增加的中子数比其余几个遭遇中所减少的中子数来得大时，中子的再生率才能大于 1，链式反应才能持续地进行下去。
【14】所以，在发生链式反应的实际装置中，总是尽量减少铀块中的杂质，用轴235含量较多的浓缩铀，或者用纯铀235来做裂变物质；同时裂变物质的总体积做得足够大【使得裂变物质能够维持链式反应的最小体积，通常称做临界体积】，使得中子不容易飞出它的表面，或者再在裂变物质外面包一层反射中子的物质，以减少中子的损失，增加它的再生率。
【15】如果用纯净的铀235做裂变物质，当然链式反应是能够进行的；但由于中子的再生率过大，链式反应就会进行得非常快，功率也非常大，大量的原子能就会以爆发的形式释放出来，原子弹的爆炸就是这种形式的链式反应。如果要利用原子能作为动力，就必须控制链式反应的进行，这时候，控制链式反应的功率，就是一个很重要的问题。
【16】原子弹的构造如图10·4所示：在弹壳内装着两块互相分开，各小于临界体积的裂变物质（如铀或钚），外侧有普通的引爆装置，点燃引爆装置就能使裂变物质合在一起，于是由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸。
