核物理

核分裂(nuclear fission)

一個極重的原子核是一滴勉強穩定、塞得過滿的液滴,靠短程核吸引力維繫,而其中眾多質子則在彼此的靜電排斥下拼命想飛散。輕輕一推,它就可能裂成兩塊中等大小的碎片,釋放一陣能量與幾個多餘的中子。這種裂開就是核分裂,由哈恩(Hahn)與史特拉斯曼(Strassmann)發現、由邁特納(Meitner)與弗里施(Frisch)詮釋,也是反應爐與分裂武器背後的過程。

液滴模型讓它變得直覺。吸收一個中子後,原子核被激發並晃動;它變形,隨著拉長,欲拉回的表面張力與越來越有效的、分離電荷之庫侖排斥相互競爭。超過某個臨界變形(分裂位障之頂,即鞍點)後庫侖取勝,原子核縮頸、剪斷成兩塊碎片外加通常兩到三個瞬發中子。能量上,碎片落在每核子結合能曲線的峰附近,故每核子約 0.9 MeV 乘上約 235 個核子,得每次分裂釋放約 200 MeV,其中絕大部分是碎片的動能。分裂可由中子捕獲誘發,也可經穿隧越過位障而自發發生。

被釋放的中子正是核分裂在技術上舉足輕重的原因:它們可誘發更多分裂,維持連鎖反應。分裂碎片富含中子且具放射性,會經歷 β 衰變鏈,產生延遲中子(對控制至關重要)與長壽命核廢料。一克鈾-235 分裂所釋放的能量,約與燃燒三公噸煤炭相當。

一個代表性的誘發分裂:U-235 + n -> Ba-141 + Kr-92 + 3n,釋放約 200 MeV。確切的碎片配對每次事件不同,形成分裂產物質量那具特徵的雙峰分布。

約 200 MeV 中的絕大部分,是以兩塊反衝碎片之動能的形式出現。

分裂的能量主要是帶電碎片在庫侖排斥下飛散的動能,而非中子或伽馬。它之所以釋放,是因為碎片比母核束縛得更緊,而不是原子核「儲存」了能量。

又称
fission分裂反應核裂變