第13章：裂變化學裂變產額的測量； 第13章：裂變化學研究內容； 核裂變的發現是核科學發展史上的一個重要里程碑。 1939年，O. Hahn和F.發現了裂變現象； 1942年12月，E.費米等人在美國芝加哥建造了世界上第一座鈾石墨反應堆，實現了人類掌控原子能的首次壯舉； 1945年，美國試爆了第一顆原子彈，隨后又試爆了氫彈； 由此啟動了核武器的研制； 1954年，前蘇聯建成世界上第一座核電站，開創了和平利用原子能的新時代。 1947年，中國核物理學家錢三強和何澤輝首次發現三重裂變，即除了裂變產生的兩種中等質量碎片外，還存在很輕的碎片——粒子。 第13章：裂變化學：裂變化學的研究內容； 裂變化學：它是核化學的一個分支。 它以裂變核素和裂變產物為研究對象，以放射化學方法為研究手段，以裂變規律為研究目的。 的一門學科。 主要研究內容：原子核裂變； 裂變產物的衰變鏈； 裂變產物的化學狀態； 裂變化學實驗方法； 裂變產額的測量； 裂變的質量分布； 裂變的電荷分布； 裂變產物的提取及綜合利用。 第十三章 裂變化學核的裂變 第十三章 裂變化學核的裂變 從上圖所示的比結合能曲線可以看出，中等質量原子核的比結合能大于重核。 根據質量虧缺原理，當重原子核裂變成較輕原子核時釋放能量，當輕原子核聚集成較重原子核時也釋放能量。
同時，實驗發現重核裂變，只有較重的原子核才會發生裂變反應。 核裂變分為兩類：自發裂變和誘發裂變。 自發裂變是基態原子核在沒有外來粒子轟擊的情況下自行裂變。 例如，252Cf是重要的自發裂變核，其自發裂變分支比例僅占總衰變率（衰變）的3%。 自發裂變和衰變是重核衰變的兩種不同方式。 兩人互相競爭。 原子自發裂變的半衰期是原子自發裂變概率的度量。 發生自發裂變的半衰期長的核素發生自發裂變的概率較小，反之亦然。 第十三章 裂變化學核裂變 （一）較輕的錒系核素自發裂變的半衰期較長，232Th的半衰期為1020a； 隨著質量數和原子序數的增加，其半衰期迅速縮短，如252Cf的半衰期僅為60.5d； （2）對于偶數和偶數原子核（質子和中子數為偶數），自發裂變的半衰期隨著Z/A值的增大而趨于減小； (3)對于同一元素，同位素之間的自發裂變半衰期差異很大。 (4)奇數A核的自發裂變半衰期比相鄰的偶數和偶數核長。 對于給定元素，隨著該元素較重同位素區域的 Z/A 值減小，偶偶核自發裂變半衰期趨于縮短。 第十三章 裂變化學 核裂變誘發裂變：是指重原子核在某些入射粒子的轟擊下，其能量增加到裂變勢壘頂部的裂變。
與自發裂變不同，誘發裂變是核反應的一種形式。 這是一個極其復雜的反應過程，其中一個原子核經過劇烈的變化重新組合成兩個較小的原子核。 誘發重核裂變的入射粒子可以是中子，也可以是具有一定能量的帶電粒子，如p、d等。高能光子也能誘發重核裂變，稱為光裂變。 在原子核的誘發裂變中，由中子引起的誘發裂變是最重要的。 由于中子與靶核的相互作用不受庫侖勢壘阻擋，能量很低的中子可以進入核內激發靶核并引起裂變。 在裂變過程中，釋放出中子，從而形成鏈式反應。 這就是原子彈和反應堆的理論基礎。 第十三章 裂變化學 核裂變的裂變 核裂變液滴模型 核模型認為，原子核就像一個均勻帶電的液滴，原子核中的每個核子就像液滴中的一個分子。 液滴模型的應用基于兩個事實：（1）核內力之間的平均結合能與核子數量成正比，核子之間的相互作用力飽和，這類似于原子核的飽和。液體中的分子力 (2) 原子核中原子核所占的體積 它是守恒的，反映了核密度的飽和度，類似于液體的不可壓縮性。 由于原子核中的中子不帶電，而質子帶正電，因此原子核的液滴模型將原子核視為帶電液滴來解釋原子核的裂變。 核裂變的情況類似于一個液滴在外力的作用下分裂成兩個較小的液滴。 在核裂變過程中，原子核也發生一系列的變形。
圖解 第十三章 裂變化學 核裂變的裂變 核裂變的情況類似于一個液滴在外力作用下分裂成兩個較小的液滴。 在核裂變過程中，原子核也會發生一系列變形。 核裂變的過程大致可分為三個階段，兩遍：三個階段：第一階段是從復合核形成到鞍點；第二階段是從復合核形成到鞍點； 第二階段是從鞍點到斷點； 第三階段是破發點之后； 兩遍：鞍點：裂變核變形到必須分裂成兩塊的階段的狀態； 它決定了原子核的裂變。 斷點：兩塊之間不能發生交換的狀態。 它決定了核裂變后裂變碎片的分布。 核裂變中的幾個物理量勢能面： 形變核的半徑為： 第十三章裂變化學 當n為偶數時，核的裂變描述對稱形變； 當n取奇數時，描述的是不對稱變形。 對于對稱的小變形，主要認為P平面上的一些等能線可以代表變形勢能隨變形參數的變化。 它被稱為核形變勢能面。 可裂變參數：液滴模型認為變形過程中勢能的變化主要是庫侖能和表面能的變化。 玻爾和給出了小變形時橢球核的庫侖能和表面能。 第十三章裂變化學 原子核的裂變用E來表示原子核變形過程中勢能的變化。 那么：引入一個可裂變參數：可以變成：當可裂變參數為1時，E0，說明裂變核變形的結果使得核變形勢能增大，說明這種原子核是當它是球形時是穩定的。
當裂變性參數為0時，表明變形的結果會降低變形核的勢能，說明這種核在為球形核時是不穩定的，一旦變形就不可能恢復到原來的形狀發生輕微變形。 第13章：當裂變化學=0時，為臨界狀態。 此時，可以得到臨界狀態下Z和A的關系如下：它們的Z/A值遠小于臨界值50.13，它們為1表示它們正在變形。 是比較穩定的。 不同裂變參數的核素具有不同的勢能面，鞍點處的原子核形狀也不同。 裂變勢能面的概念僅表示核素在裂變過程中形變過程中是否穩定，而不表示核素是否穩定。 13 核素.336.0236.8236.9738.110.710.720.730.740.76 第 13 章裂變 化學裂變勢壘：原子核的變形增加了基態的能量。 當勢能曲線達到峰值位置時，處于鞍點狀態。 鞍點處的勢能高度就是裂變勢壘的高度。 根據液滴模型的理論，可以近似計算出裂變勢壘的高度：當1/32/3時，當2/3/A的值大于35時，核的裂變勢壘高度降至以下7MeV，如錒系核素的裂變勢壘高度約為6MeV。 第十三章 化學裂變的裂變閾值能量： 裂變閾值能量：是指入射中子誘發目標核裂變所必須具有的最小能量，即入射中子必須具有的最小動能。 熱中子可以誘發235U裂變，但不能引起238U裂變：因為熱中子誘發235U裂變時，中子與235U形成的復合核是激發態的236U*。
這里的裂變核是236U。 由結合能公式計算出的激發能為6.54 MeV，236變換的勢壘高度為5.9 MeV。 可見，復合核的激發能大于裂變核的裂變勢壘高度，即E*Eb。 因此，熱中子可以引起235U裂變。 然而，在238(n,f)反應中，裂變核是239U。 如果入射中子是熱中子，則其復合核的激發能為4.8MeV，但裂變核239U的裂變勢壘為6.2MeV，即E*Eb。 因此，熱中子不能使238U發生裂變。 只有當入射中子的動能大于1.4MeV時才會發生裂變。 第十三章裂變化學裂變截面和激發曲線：核裂變是核反應的一種形式。 當一定能量的入射粒子轟擊目標核時重核裂變，可能會發生各種類型的核反應，每個核反應稱為一個反應通道。 反應前的通道稱為入口通道，反應后的通道稱為出口通道。 每個核反應都有一定的發生概率。 反應概率的大小通常用反應截面來表示。 裂變截面：表示核裂變發生概率的物理量。 它被定義為當粒子入射到每單位面積只有一個目標核的目標時發生核裂變反應的概率。 表 13.1 幾種核素的熱中子反應截面 (b) 截面 233 239Pu 531.1582.2 742.5 47.798.6 2.7 268.8 578.8680.8 2.7 1011.3 587.0694.6 11.6 1019 第十三章 化學核裂變反應截面clei表面入射粒子的曲線能量變化稱為激發曲線。
可裂變核的裂變截面隨入射中子能量變化的曲線稱為可裂變核的中子裂變激發曲線。 第十三章：裂變化學核裂變斷點后的現象：復合核的變形一旦發展到鞍點，就會在10 -22 ～ 10 -21 時間內過渡到裂變斷點，分裂成兩塊。 我們稱它們為裂變碎片。 斷點之后，兩個裂變碎片之間只有庫侖斥力在起作用。 核力是一種短程力，作用半徑r=10-13厘米。 斷裂后，核力將不再起作用。 在庫侖斥力的作用下，兩個裂變碎片向相反方向分離，并且具有很大的速度（動能）。 初始裂變碎片的中子/質子比與裂變核相似。 它們大多數是遠離穩定線的富中子核。 它們仍然具有很大的變形和很高的激發能。 它們是非常不穩定的原子核，會放出過量的中子——瞬發中子。 大多數中子實際上是在裂變后不到 10 -15 秒內發射的。 我們將中子發射后的裂變碎片稱為二次碎片，也稱為裂變初級產物。 那么釋放中子之前的裂變碎片稱為初級碎片。 釋放1到3個中子后，次級碎片的激發能降至中子結合能（8 MeV）以下，不足以發射原子核。 然而，此時的次級片段仍然可以以躍遷的形式去激發。 在裂變過程中，歷史上記錄的射線大部分是在中子發射后發射出來的，并且在裂變后不到10 -11 s內完成。
這些射線稱為瞬時發射線。 那些發射出瞬發裂變中子和瞬發發射線的二次裂變碎片仍然是富中子、不穩定激發核素，將經歷一系列衰變，最終轉變為穩定核素。 這些初級裂變產物的一系列衰變構成了衰變鏈。 在同一條鏈上，所有鏈成員的質量數相等，故又稱質量鏈。 第十三章裂變化學 原子核的裂變如：質量數為99的質量鏈為： 衰變產生的裂變產物稱為二次裂變產物。 裂變產物是瞬發裂變中子和瞬發發射線發射后的所有裂變碎片的總稱。 它包括裂變瞬間（衰變前）直接產生的初級裂變產物和衰變后產生的所有次級裂變產物。 裂變產物衰變的半衰期約為10 -2 秒或更長。 這比發射瞬發中子和瞬發發射線所需的時間長得多。 在衰變過程中，少數新產生的核素的激發能可能超過中子的結合能，從而可能發射出中子。 此時發射的中子稱為延遲中子。 例如，對于質量數為87的鏈，其鏈成員87 Br衰變為87 Kr。 87 Kr是可以發射中子的激發能級。 當它衰變到這樣的能級時，立即發射出中子。 這些中子的半衰期就是 87 Br 衰變的半衰期。 這樣的中子就是緩發中子，激發態的 87 Kr 是緩發中子的發射極， 87 Br 是緩發中子的前驅核。 9944 10 9943 924 6599 42 1499 41 9940 47 9939 270 99 38 058 9937 124 9936 穩定 Ru Tc Mo Nb Zr SrRb Kr