核分裂:核分裂产物、中子与能量
了解重原子核如何分裂、中子为何能维持连锁反应,以及质量差如何转化为释放的核能。透过核反应方程式、计算示例及练习题,掌握核分裂产物、质量亏损、束缚能与放射性衰变的关键概念。
假设一颗中子进入铀-235 原子核,而该原子核分裂成两个较小的原子核。过程中有另外三颗中子飞出,并释放出约 200 MeV 的能量。这些能量从何而来?为甚么这三颗中子能让这个过程再次发生?
这些问题正是理解核分裂的切入点。重要的概念不只是大型原子核「分裂开来」,而是你需要追踪产物是甚么、中子从何而来,以及为甚么最终粒子的总静止质量比初始系统少。
01核分裂实际上会发生甚么?
从一个铀-235 原子核开始。它有 92 个质子和 143 个中子。
一颗中子可以被原子核吸收:
\[ {}^{235}_{92}\mathrm{U}+{}^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow {}^{236}_{92}\mathrm{U}^{*} \]
星号表示铀-236 原子核处于激发态。它具有额外的能量,而且不稳定到足以发生形变并分裂。
中子在这里很有用,因为它不带电。当带正电的质子接近同样带正电的铀原子核时,会受到静电斥力;中子则不会面对这种斥力。
想像原子核被拉长
一个有用的初步模型,是把重原子核想像成一团挤得很密的核子。如果它获得足够的激发能量,就可能被拉长成哑铃状,然后分离。
这个过程涉及几种作用力之间的竞争。
- 强核力将彼此接近的核子束缚在一起。
- 静电力使带正电的质子互相排斥。
- 在非常重的原子核中,质子的数目很多,因此总静电斥力相当大。
想像一群非常拥挤的人试图围著一张小桌子挤在一起。两端的人彼此之间的直接互动并不强,但他们仍然都想离开拥挤的人群。分成两群,可能比维持一个难以容身的队形更容易。
这个类比并不完全准确,因为原子核是量子系统,而不是一群人;此外,强核力的作用范围非常短。不过,它仍然能提供正确的初步图像:当重原子核发生足够大的形变,使核吸引力与质子斥力之间的平衡有利于分离时,就会发生核分裂。
02核分裂产物并不总是相同
一个常见的错误,是以为铀-235 每次都会分裂成两个相等的部分。
事实并非如此。
只要符合守恒定律,一次核分裂就可以产生许多不同组合的两个中等质量原子核。这两个较大的原子核称为核分裂碎片,它们通常具有放射性。
其中一种可能的核分裂反应是:
\[ {}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\mathrm{Ba} + {}^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n} + \text{能量} \]
检查各项数值。
反应前的总质量数为:
\[ 235+1=236 \]
反应后:
\[ 141+92+3=236 \]
反应前的总原子序为:
\[ 92+0=92 \]
反应后:
\[ 56+36=92 \]
因此,这两个量都符合守恒。
在这里,\(A\) 是质量数,即质子与中子的总数;而 \(Z\) 是原子序,即质子的数目。
这带出一个重要的考试概念区分:
| 物理量 | 在核反应方程式中会怎样? |
|---|---|
| 质量数 \(A\) | 守恒 |
| 原子序 \(Z\) | 守恒 |
| 电荷 | 守恒 |
| 静止质量 | 不一定守恒 |
最后一列正是能量的来源。
计算示例:配平核分裂方程式
一个铀-235 原子核吸收一颗中子,并分裂成钡-141、氪-92 和 \(x\) 颗中子。求出 \(x\),并写出配平后的核反应方程式。
步骤 1
入射中子的质量数为 1,因此:
\[ 235+1=141+92+x \]
所以:
\[ 236=233+x \]
\[ x=3 \]
步骤 2
铀的原子序是 92,而钡和氪的原子序分别是 56 和 36:
\[ 92=56+36 \]
因此,原子序已经配平。中子的原子序为 0。
步骤 3
\[ {}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\mathrm{Ba} + {}^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n} + \text{能量} \]
步骤 4
这三颗自由中子并不是凭空产生的。它们原本就是初始系统中的核子,最后则位于两个核分裂碎片之外。
这就是质量数配平如此有用的原因:它迫使你把每一个质子和中子都计算在内。
03那么,能量从何而来?
令人意外的是:
产物的总静止质量略小于反应物的总静止质量。
这并不违反能量守恒。减少的静止质量已转化为其他形式的能量,其中主要是核分裂碎片的动能。
这个关系式来自爱因斯坦:
\[ E=mc^2 \]
其中,\(E\) 是能量,\(m\) 是质量,而 \(c\) 是真空中的光速。
由于 \(c^2\) 的数值极大,即使质量只减少一点点,也会对应到大量能量。
束缚能提供了物理上的原因
我们可以把解释说得更精确。
与原本非常重的原子核相比,核分裂产物通常具有较高的每核子束缚能。换句话说,它们的核子处于能量较低的原子核排列状态。
初始状态与最终状态之间的能量差便会释放出来。
你可以把它想像成物体从较高的架子移到较低的架子。物体下落时会失去重力位能。在核分裂中,原子核转变成能量较低的核排列状态,而两者之间的能量差就会以释放能量的形式出现。
这个类比只涉及能量状态。原子核并不是字面意义上在空间中向下掉落。
对于铀等重原子核,核分裂会使核子转变成每核子束缚能较高的原子核。束缚能的增加,就是核分裂能够释放能量的根本原因。
如果你还不熟悉质量亏损的概念,可以参考 tutorgum 的质量亏损与核束缚能指南,其中会更详细地讲解相关计算。
释放出来的能量会变成甚么?
核分裂事件释放的能量并非全部由同一种粒子携带。
一次典型的核分裂事件总共会释放约 200 MeV,但确切数值会因核分裂事件而异。
其中大部分能量最初会以两个重核分裂碎片的动能形式出现。由于两个碎片都带正电,并且彼此强烈排斥,因此它们会向相反方向飞离。
部分能量也会以以下形式出现:
- 放出中子的动能,
- 伽马射线,
- 与核分裂产物之后的放射性衰变有关的能量。
当高速粒子与周围物质相互作用时,它们的动能会传递给该物质。在核反应堆中,这些能量最终会转化为热能,可用来加热水并产生蒸汽。
计算示例:把核分裂的质量亏损转换成能量
假设某次核分裂事件的反应物与产物之间的质量差为 \(0.214\,\mathrm{u}\)。估算释放的能量,并分别以焦耳和 MeV 表示。
取:
\[ 1\,\mathrm{u}=1.66\times10^{-27}\,\mathrm{kg} \]
以及
\[ c=3.00\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}} \]
另外使用:
\[ 1\,\mathrm{MeV}=1.60\times10^{-13}\,\mathrm{J} \]
步骤 1
\[ \Delta m = 0.214\times1.66\times10^{-27} \]
\[ \Delta m = 3.55\times10^{-28}\,\mathrm{kg} \]
步骤 2
\[ E = (3.55\times10^{-28}) (3.00\times10^8)^2 \]
\[ E \approx 3.20\times10^{-11}\,\mathrm{J} \]
步骤 3
\[ E = \frac{3.20\times10^{-11}} {1.60\times10^{-13}} \]
\[ E \approx 200\,\mathrm{MeV} \]
步骤 4
一次核分裂会释放约 \(3.2\times10^{-11}\,\mathrm{J}\),即约 \(200\,\mathrm{MeV}\)。
这个数值看起来很小,因为单一原子核非常微小。重要的是,宏观数量的核燃料包含数量极其庞大的原子核,因此总能量可以非常巨大。
04放出的中子有甚么作用?
中子是核分裂过程中能把一次核反应转变成多次核反应的关键。
在上面的例子中,一次核分裂会产生三颗中子。这些中子可以与其他铀-235 原子核相互作用,并引发进一步的核分裂。
这就形成了连锁反应。
但要小心措辞。
三颗中子并不等于一定会引发三次进一步的核分裂。
一颗中子可能会:
- 引发另一次核分裂,
- 逃离材料,
- 在不引发核分裂的情况下被吸收,
- 或以其他方式发生相互作用。
因此,重要的量并不只是「每次核分裂产生多少颗中子」。真正重要的是,有多少颗中子能成功引发进一步的核分裂。
在简单的连锁反应模型中,增殖因子 \(k\) 用来描述核分裂次数如何随每一代而改变。
如果 \(k>1\),核分裂次数通常会增加。
如果 \(k=1\),连锁反应会以大致相同的速率持续进行。
如果 \(k<1\),反应通常会逐渐减弱,最后停止。
核反应堆的实际行为比这个简单模型复杂得多,但这个概念非常有用。
快速判断核分裂题目的方法
当你看到一道核分裂题目时,可以把资讯分成三个部分:
1. 核分裂产物
会产生两个主要原子核,而且它们通常具有放射性。
2. 中子
每次核分裂通常会放出两至三颗瞬发中子,具体数目取决于该次核分裂事件。
3. 能量
产物的总静止质量较低,而总束缚能较高,因此质量差会以能量形式释放。
只要把这三种产物分开考虑,就能避免几种常见错误。
05为甚么核分裂产物具有放射性?
核分裂碎片所含的中子,往往比同等大小的稳定原子核所能容纳的中子更多。
因此,它们会经历放射性衰变,逐步转变成较稳定的原子核排列状态。
其中一种常见的衰变途径是β⁻ 衰变。在 β⁻ 衰变中,一颗中子会转变成一颗质子,同时放出一颗电子。
例如,钡-141 可以发生以下反应:
\[ {}^{141}_{56}\mathrm{Ba} \rightarrow {}^{141}_{57}\mathrm{La} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e} + \bar{\nu}_e \]
质量数维持在 141,因为核子总数并没有改变。
原子序由 56 增加至 57,因为一颗中子已转变成一颗质子。
放出的电子就是 β⁻ 粒子,而 \(\bar{\nu}_e\) 代表电子反中微子。
这与 β 衰变和核反应方程式 有直接关系。
这里有一个重要的时间先后区别:
先发生核分裂。核分裂产物之后才可能发生放射性衰变。
因此,当题目提到核分裂产物发出的 β 或 γ 辐射时,不要自动把它们视为原始分裂事件的一部分。部分能量会在核分裂时立即释放,而另一部分则会在不稳定的产物之后衰变时才释放。
06最容易令人误解的概念
一名学生可能会说:
「原子核分裂了,所以能量是由中子撞击原子核而产生的。」
这并不是主要的解释。
入射中子很重要,因为它能触发核分裂过程,尤其是在它被合适的可裂变原子核吸收时。不过,大量能量的释放,是来自初始与最终核能量状态之间的差异。
另一名学生可能会说:
「有三颗中子飞出,所以一定有另外三个原子核分裂。」
同样地,这是不正确的。
放出的中子只是令连锁反应有可能发生。连锁反应是否会持续增长,取决于这些中子之后的去向。
第三名学生可能会说:
「质量是守恒的,所以不可能有质量亏损。」
正确的说法是,核反应方程式中的质量数守恒,但静止质量可以减少。核反应守恒的是总质量能,而不是单独的静止质量。
07题目与解答
题目 1
一个铀-235 原子核吸收一颗中子,并产生氙-140、锶-94 和 \(x\) 颗中子。
求出 \(x\),并验证原子序是否守恒。
解答 1
放出的中子数目是 2,因为根据质量数守恒:
\[ 235+1=140+94+x \]
\[ 236=234+x \]
因此:
\[ x=2 \]
原子序的检查如下:
\[ 92=54+38 \]
所以电荷也守恒。
配平后的反应为:
\[ {}^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow {}^{140}_{54}\mathrm{Xe} + {}^{94}_{38}\mathrm{Sr} + 2\,{}^{1}_{0}\mathrm{n} + \text{能量} \]
容易犯的错误是只注意两个较大的碎片,却忘记有部分核子会以自由中子的形式离开。质量数计算会迫使你把它们也计算在内。
题目 2
某次核分裂事件的质量亏损为 \(0.214\,\mathrm{u}\)。
计算释放的能量,并分别以:
(a) 焦耳,以及
(b) MeV 表示。
然后解释为甚么核分裂产物的总静止质量比反应物低。
解答 2
释放的能量约为 \(3.2\times10^{-11}\,\mathrm{J}\),即 \(200\,\mathrm{MeV}\)。产物的静止质量较低,是因为它们形成了束缚程度更高的原子核排列状态。
步骤 1:把质量亏损换算成公斤。
\[ \Delta m = 0.214\times1.66\times10^{-27} \]
\[ \Delta m = 3.55\times10^{-28}\,\mathrm{kg} \]
步骤 2:套用爱因斯坦的质能方程式。
\[ E=\Delta mc^2 \]
\[ E = (3.55\times10^{-28}) (3.00\times10^8)^2 \]
\[ E \approx 3.20\times10^{-11}\,\mathrm{J} \]
步骤 3:换算成 MeV。
\[ E = \frac{3.20\times10^{-11}} {1.60\times10^{-13}} \]
\[ E\approx200\,\mathrm{MeV} \]
释放能量的物理原因,是核分裂产物的每核子束缚能比原本的重原子核更高。因此,最终核系统的静止质量能较低。两者之间的差值会以动能、辐射及其他释放能量的形式出现。
要避免的错误,是说质量只是「消失了」。事实并非如此。它的静止质量能已转移至其他形式的能量。
题目 3
在连锁反应的某一代中,发生了 100 次核分裂。每次核分裂恰好释放 3 颗中子。
在产生的 300 颗中子中:
- 20% 逃离,
- 30% 在不引发核分裂的情况下被吸收,
- 其余的中子各自引发一次进一步的核分裂。
假设每一代都遵循相同比例。
求出:
(a) 下一代的核分裂次数,
(b) 再下一代的核分裂次数,以及
(c) 判断连锁反应是在增长还是逐渐减弱。
解答 3
下一代会有 150 次核分裂,再下一代则有 225 次,因此连锁反应正在增长。
步骤 1:找出会引发核分裂的中子比例。
逃离及未引发核分裂的吸收比例合计为:
\[ 20\%+30\%=50\% \]
因此,有 50% 的中子会引发核分裂。
步骤 2:求出下一代的核分裂次数。
共有 300 颗中子:
\[ N_1=300\times0.50 \]
\[ N_1=150 \]
因此,下一代会发生 150 次核分裂。
步骤 3:求出这 150 次核分裂所产生的中子数目。
每次核分裂会产生 3 颗中子:
\[ 150\times3=450 \]
步骤 4:套用相同的 50% 成功率。
\[ N_2=450\times0.50 \]
\[ N_2=225 \]
因此,再下一代会有 225 次核分裂。
反应正在增长,因为每一代的核分裂次数都比上一代多:
\[ 100\rightarrow150\rightarrow225 \]
在这个简化模型中,增殖因子为:
\[ k=3\times0.50=1.5 \]
由于 \(k>1\),核分裂次数会增加。
容易犯的错误,是看到每次核分裂会产生三颗中子,就假设会引发三次进一步的核分裂。这忽略了每颗中子的去向。中子的产生只是连锁反应的一部分。
题目 4
某次核分裂事件产生了具有放射性的核分裂产物 \({}^{141}_{56}\mathrm{Ba}\)。
一名学生声称:
「既然核分裂已经释放能量,钡产物就一定是稳定的。」
评估这个说法。写出一个适用于钡-141 的 β⁻ 衰变方程式,并说明其质量数、原子序和中子数会怎样改变。
解答 4
这个说法不正确。钡-141 可以发生 β⁻ 衰变,因为这种核分裂产物富含中子,并且可以透过将一颗中子转变成一颗质子,形成更稳定的原子核。
简化的核反应方程式为:
\[ {}^{141}_{56}\mathrm{Ba} \rightarrow {}^{141}_{57}\mathrm{La} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e} + \bar{\nu}_e \]
步骤 1:追踪质量数。
质量数保持不变:
\[ 141\rightarrow141 \]
β⁻ 衰变不会使原子核失去核子。
步骤 2:追踪原子序。
原子序会增加:
\[ 56\rightarrow57 \]
这是因为一颗中子转变成一颗质子。
步骤 3:追踪中子数。
衰变前:
\[ N=141-56=85 \]
衰变后,子核的中子数为:
\[ N=141-57=84 \]
因此,中子数减少一,而质子数增加一。
步骤 4:把这一点与核分裂能量联系起来。
原本的核分裂事件与之后的放射性衰变是两个不同阶段。核分裂会产生不稳定的钡原子核。之后,钡可以透过 β 衰变及可能发生的 γ 衰变释放额外能量,并逐渐转变成较稳定的状态。
要避免的错误,是把「核分裂产物」当成「稳定产物」的同义词。核分裂产物往往具有放射性,正是因为分裂会产生中子与质子比例不理想的原子核。
题目 5
两个理想化的可裂变系统 A 和 B,最初都发生了相同的 100 次核分裂。
本题假设以下平均行为在每一代中都完全准确:
| 系统 A | 系统 B | |
|---|---|---|
| 每次核分裂产生的中子数 | 3 | 2 |
| 引发另一次核分裂的中子比例 | 55% | 80% |
| 每次核分裂释放的能量 | 190 MeV | 220 MeV |
假设没有引发核分裂的中子不会产生其他影响。
求出:
(a) 哪个系统在下一代产生较多核分裂,
(b) 哪个系统在下一代释放较多能量,
(c) 哪个系统在第五代释放较多能量,以及
(d) 解释为甚么 (b) 的答案可能与 (a) 的答案不同。
解答 5
系统 A 在之后每一代都会产生较多核分裂,因为它的中子增殖因子较大;但系统 B 的每次核分裂释放较多能量。系统 B 在最初几代释放较多能量,而系统 A 最终会超越它,因为 A 的核分裂数量增长得更快。到了第五代,系统 A 释放的能量略多。
步骤 1:求出每个系统的增殖因子。
对于 A,每次核分裂会产生 3 颗中子,其中 55% 会引发另一次核分裂:
\[ k_A=3\times0.55 \]
\[ k_A=1.65 \]
对于 B:
\[ k_B=2\times0.80 \]
\[ k_B=1.60 \]
因此,A 的增殖因子较大。
步骤 2:求出下一代的核分裂次数。
从 100 次核分裂开始:
\[ N_{A,1}=100\times1.65=165 \]
\[ N_{B,1}=100\times1.60=160 \]
因此,A 在下一代产生较多核分裂。
步骤 3:计算该代释放的能量。
对于 A:
\[ E_{A,1}=165\times190 \]
\[ E_{A,1}=31\,350\,\mathrm{MeV} \]
对于 B:
\[ E_{B,1}=160\times220 \]
\[ E_{B,1}=35\,200\,\mathrm{MeV} \]
因此,B 在下一代释放较多能量。
这是整道题目的关键。B 的核分裂次数较少,但每次核分裂释放的能量较多。
步骤 4:追踪第五代。
第 \(n\) 代的核分裂次数,可以透过每一代乘以相应的 \(k\) 值求得。
对于 A:
\[ N_{A,5} = 100(1.65)^5 \]
\[ N_{A,5} \approx1223 \]
对于 B:
\[ N_{B,5} = 100(1.60)^5 \]
\[ N_{B,5} \approx1049 \]
现在计算该代释放的能量。
对于 A:
\[ E_{A,5} = 1223\times190 \]
\[ E_{A,5} \approx232\,000\,\mathrm{MeV} \]
对于 B:
\[ E_{B,5} = 1049\times220 \]
\[ E_{B,5} \approx231\,000\,\mathrm{MeV} \]
因此,到了第五代,系统 A 释放的能量略多。
容易犯的错误,是因为 \(220\,\mathrm{MeV}\) 大于 \(190\,\mathrm{MeV}\),就直接选择 B。这只比较了单次核分裂所释放的能量,却忽略了核分裂的次数。
更深层的关键在于,每次核分裂的能量与中子增殖是不同的物理量。一个系统即使每次核分裂都释放较多能量,其连锁反应仍可能增长得较慢。在这个例子中,A 较大的增殖因子最终会带来足够多的额外核分裂,抵销它每次核分裂释放能量较少的劣势。
在真实的核反应堆中,这个简单模型并不完整。中子能量、几何形状、中子泄漏、吸收、燃料成分及控制系统,都会影响连锁反应。不过,这个区分仍然非常重要:中子决定核分裂次数如何改变,而每次核分裂释放的能量,则取决于初始与最终状态之间的核能量差。
08必须一起理解的三个概念
在 HSC 作答时解释核分裂,应该把各个部分连系起来,而不是把它们分开列出:
- 一颗中子可以被重的可裂变原子核吸收,形成激发态原子核。
- 激发态原子核可以发生形变,并分裂成两个核分裂碎片。
- 这些碎片不一定大小相等,而且通常具有放射性。
- 通常会放出两至三颗瞬发中子,因此有可能形成连锁反应。
- 最终核产物的总静止质量较低,而总束缚能较高。
- 质量差会转化为释放的能量,主要表现为核分裂碎片的动能。
- 具有放射性的核分裂产物之后可能发生 β 衰变和 γ 衰变,释放额外能量。
下一个值得学习的步骤,是把这个微观图像与核反应堆的运作联系起来:当你能辨认核分裂产物、中子和能量的去向时,就能理解为甚么中子慢化与控制会决定连锁反应是逐渐减弱、维持稳定,还是持续增长。