核裂变( 五 ) _生活百科

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核裂变第一项是按液滴模型计算的值；第二项是壳校正项，即在按壳层模型算出的能量值中，减去假设的把费密面附近的能级加以展宽、能级密度加以平滑化而算得的能量值。对于从铀到錇的核素，由于壳校正的加入，原来的单峰裂变势垒变成了双峰势垒，出现了中间势阱。这种理论能够满意地解释60年代发现的自发裂变同质异能素及垒下裂变共振成群（“中间结构”）现象等实验事实。裂变道理论一个变形的原子核除了单粒子运动外，还存在集体振动和转动，这些运动方式是互相耦合的（见综合模型）。考虑激发能超过裂变势垒不太多的情况。当核从複合核态过渡到鞍点态时，处在鞍点上的原子核是一个大变形核。由于激发能转化成了核的形变能，儘管在複合核态时激发能相当高，到鞍点时，激发能就很低了，或者说，核变冷了。因而可以认为鞍点的核与通常的小形变的冷核相似，也具有一组转动和振动能级。这些能级各有特定的量子数（J、π、K；K是总角动量J在核对称轴上的投影，π是宇称）。原子核在裂变时要保持这些量子数守恆，到达鞍点的核只能占据具有一定J、π、K的能级，这些能级就形成了核通向裂变的通道，称为裂变道。裂变道理论很好地解释了碎片角分布各向异性的现象。裂变几率的计算这是裂变理论中发展较早的一部分，可以分为自发裂变和感生裂变几率的计算两部分。关于自发裂变，人们可以仿照α衰变採用量子力学隧道穿透理论。但是由于裂变势能曲面是一个多维的曲面，相应的质量参量又必须用微观理论来计算，所以实际上仅在极少数情况下进行过比较认真的计算，结果也有很多不定因素。但是人们利用这种概念作了一些系统学的工作，表明大致趋势是不错的。关于感生裂变，感兴趣的是在给定的核激发能E下，发生裂变的几率。这个问题N.玻尔和J.A.惠勒早在1939年，就在平衡统计的假设下计算过了。据此假设核处在鞍点的几率为ρf(E-Ef-Ek)/ρo(E),式中ρ0及ρf分别为处于基态形变及鞍点总形变时核的能级密度，Ef及Ek分别为核鞍点势垒高度和集体运动动能，设集体运动也服从平衡统计分布，则单位时间裂变几率为：

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公式这个公式虽然一直为人引用，但难以严格从实验上验证，因为ρf既难在理论上进行可靠的计算，又无裂变以外的实验可加以测定。对ρf的粗略的理论估计表明，在激发能不高的情况下这个公式大体上是可用的。裂变机制的模型是裂变理论中最困难和最不成熟的部分，仅作简单的介绍。① 最早发展的是一种流体力学模型，认为在裂变过程中，核的形变服从经典流体力学的规律。一个三维液滴的运动也是很难计算的，实际上只能对形变加以严格的限制，在引入适当的粘滞性后，这种理论能给出碎片的平均动能。以及较轻的核裂变对称质量分布。② 关于低能裂变现象，也可以直接用量子力学的含时间的自洽场方法来计算，这种微观理论也取得了一些进展，不过与系统地解释各种裂变现象还有很大距离。③ 裂变统计模型认为，从鞍点下降到剪裂点的运动足够快，或裂变核集体运动自由度与单粒子自由度之间耦合足够强，以致集体运动的能量可以转化为粒子内部自由度的能量。在这种前提下，可以假定，在剪裂点处存在统计平衡。不同的断裂组态（断裂组态由两个即将产生的碎片的质量、电荷、形变及动能来表征）的相对几率正比于本组态的能级密度。根据这样的考虑，可以计算出碎片的质量分布。统计理论在原则上也可以预言裂变的其他许多特性。实际计算时要採用可调参量，在加上壳效应之后，裂变的许多图像看来是与统计理论定性相符的。但是由于统计平衡的假设本身根据不足，计算中又引入了过多的参量，这种理论也不成熟。④ 发展了一种非平衡的统计理论，这种理论认为裂变过程是由于形变运动与粒子自由度耦合，沿势能曲面所做的半无规的迁徙运动。核的形变几率的变化由输运方程所决定，这种理论的计算难度很大，尚无可靠的定量结果。总之，如何从理论上有效地处理这种大形变的集体运动，是一个尚待进一步探讨的课题。研究意义对裂变现象的研究，几十年来始终是核物理的一个活跃的分支。这是由于：①裂变有着重大的实用价值；②裂变是一个极複杂的核过程，研究这一过程有助于原子核物理学的发展。在裂变发现后，很快就弄清楚了，裂变时不但释放出巨大的能量，而且同时还发射出几个中子。既然中子能引起裂变，裂变又产生更多的中子，因此可以通过链式反应（见裂变反应堆）在巨观尺度上使原子核释放出能量来。这就找到了大规模利用核能的途径。除了巨大的核能在军事和能源方面的实际套用之外，随着反应堆的建立，放射性同位素开始大规模生产并广泛套用于工农医等各部门。从发现衰变到掌握原子能，是20世纪科学史上的重要一页。裂变是核的大形变集体运动的结果，弄清它的机制，了解裂变过程的各种複杂的现象，到仍然是一个需要继续努力研究的方向。因此对于核物理本身，裂变也具有很重要的意义。此外，自发裂变是决定最重的那些核素的稳定性的重要因素；裂变产物提供了大量的丰中子远离β稳定线的核素；裂变研究又提供了原子核在大形变条件下的各种特性（如变形核的壳效应）等等。所有这些都说明裂变是核物理的一个重要研究领域。主要套用核电站和核子弹是核裂变能的两大套用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。核电站的关键设备是核反应堆，它相当于火电站的锅炉，受控的链式反应就在这里进行。核反应堆有多种类型，按引起裂变的中子能量可分为：热中子堆和快中子堆。热中子的能量在0.1eV（电子伏特）左右，快中子能量平均在2eV左右。运行的是热中子堆，其中需要有慢化剂，通过它的原子与中子碰撞，将快中子慢化为热中子。慢化剂用的是水、重水或石墨。堆内还有载出热量的冷却剂，冷却剂有水、重水和氦等。根据慢化剂和冷却剂和燃料不同，热中子堆可分为轻水堆（用轻水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料）、重水堆（用重水作慢化剂和冷却剂稍加浓铀作燃料）和石墨水冷堆（石墨慢化，轻水冷却，稍加浓铀），轻水堆又分压水堆和沸水堆。