第13章：裂变化学裂变产额的测量； 第13章：裂变化学研究内容； 核裂变的发现是核科学发展史上的一个重要里程碑。 1939年，O. Hahn和F.发现了裂变现象； 1942年12月，E.费米等人在美国芝加哥建造了世界上第一座铀石墨反应堆，实现了人类掌控原子能的首次壮举； 1945年，美国试爆了第一颗原子弹，随后又试爆了氢弹； 由此启动了核武器的研制； 1954年，前苏联建成世界上第一座核电站，开创了和平利用原子能的新时代。 1947年，中国核物理学家钱三强和何泽辉首次发现三重裂变，即除了裂变产生的两种中等质量碎片外，还存在很轻的碎片——粒子。 第13章：裂变化学：裂变化学的研究内容； 裂变化学：它是核化学的一个分支。 它以裂变核素和裂变产物为研究对象，以放射化学方法为研究手段，以裂变规律为研究目的。 的一门学科。 主要研究内容：原子核裂变； 裂变产物的衰变链； 裂变产物的化学状态； 裂变化学实验方法； 裂变产额的测量； 裂变的质量分布； 裂变的电荷分布； 裂变产物的提取及综合利用。 第十三章 裂变化学核的裂变 第十三章 裂变化学核的裂变 从上图所示的比结合能曲线可以看出，中等质量原子核的比结合能大于重核。 根据质量亏缺原理，当重原子核裂变成较轻原子核时释放能量，当轻原子核聚集成较重原子核时也释放能量。
同时，实验发现重核裂变，只有较重的原子核才会发生裂变反应。 核裂变分为两类：自发裂变和诱发裂变。 自发裂变是基态原子核在没有外来粒子轰击的情况下自行裂变。 例如，252Cf是重要的自发裂变核，其自发裂变分支比例仅占总衰变率（衰变）的3%。 自发裂变和衰变是重核衰变的两种不同方式。 两人互相竞争。 原子自发裂变的半衰期是原子自发裂变概率的度量。 发生自发裂变的半衰期长的核素发生自发裂变的概率较小，反之亦然。 第十三章 裂变化学核裂变 （一）较轻的锕系核素自发裂变的半衰期较长，232Th的半衰期为1020a； 随着质量数和原子序数的增加，其半衰期迅速缩短，如252Cf的半衰期仅为60.5d； （2）对于偶数和偶数原子核（质子和中子数为偶数），自发裂变的半衰期随着Z/A值的增大而趋于减小； (3)对于同一元素，同位素之间的自发裂变半衰期差异很大。 (4)奇数A核的自发裂变半衰期比相邻的偶数和偶数核长。 对于给定元素，随着该元素较重同位素区域的 Z/A 值减小，偶偶核自发裂变半衰期趋于缩短。 第十三章 裂变化学 核裂变诱发裂变：是指重原子核在某些入射粒子的轰击下，其能量增加到裂变势垒顶部的裂变。
与自发裂变不同，诱发裂变是核反应的一种形式。 这是一个极其复杂的反应过程，其中一个原子核经过剧烈的变化重新组合成两个较小的原子核。 诱发重核裂变的入射粒子可以是中子，也可以是具有一定能量的带电粒子，如p、d等。高能光子也能诱发重核裂变，称为光裂变。 在原子核的诱发裂变中，由中子引起的诱发裂变是最重要的。 由于中子与靶核的相互作用不受库仑势垒阻挡，能量很低的中子可以进入核内激发靶核并引起裂变。 在裂变过程中，释放出中子，从而形成链式反应。 这就是原子弹和反应堆的理论基础。 第十三章 裂变化学 核裂变的裂变 核裂变液滴模型 核模型认为，原子核就像一个均匀带电的液滴，原子核中的每个核子就像液滴中的一个分子。 液滴模型的应用基于两个事实：（1）核内力之间的平均结合能与核子数量成正比，核子之间的相互作用力饱和，这类似于原子核的饱和。液体中的分子力 (2) 原子核中原子核所占的体积 它是守恒的，反映了核密度的饱和度，类似于液体的不可压缩性。 由于原子核中的中子不带电，而质子带正电，因此原子核的液滴模型将原子核视为带电液滴来解释原子核的裂变。 核裂变的情况类似于一个液滴在外力的作用下分裂成两个较小的液滴。 在核裂变过程中，原子核也发生一系列的变形。
图解 第十三章 裂变化学 核裂变的裂变 核裂变的情况类似于一个液滴在外力作用下分裂成两个较小的液滴。 在核裂变过程中，原子核也会发生一系列变形。 核裂变的过程大致可分为三个阶段，两遍：三个阶段：第一阶段是从复合核形成到鞍点；第二阶段是从复合核形成到鞍点； 第二阶段是从鞍点到断点； 第三阶段是破发点之后； 两遍：鞍点：裂变核变形到必须分裂成两块的阶段的状态； 它决定了原子核的裂变。 断点：两块之间不能发生交换的状态。 它决定了核裂变后裂变碎片的分布。 核裂变中的几个物理量势能面： 形变核的半径为： 第十三章裂变化学 当n为偶数时，核的裂变描述对称形变； 当n取奇数时，描述的是不对称变形。 对于对称的小变形，主要认为P平面上的一些等能线可以代表变形势能随变形参数的变化。 它被称为核形变势能面。 可裂变参数：液滴模型认为变形过程中势能的变化主要是库仑能和表面能的变化。 玻尔和给出了小变形时椭球核的库仑能和表面能。 第十三章裂变化学 原子核的裂变用E来表示原子核变形过程中势能的变化。 那么：引入一个可裂变参数：可以变成：当可裂变参数为1时，E0，说明裂变核变形的结果使得核变形势能增大，说明这种原子核是当它是球形时是稳定的。
当裂变性参数为0时，表明变形的结果会降低变形核的势能，说明这种核在为球形核时是不稳定的，一旦变形就不可能恢复到原来的形状发生轻微变形。 第13章：当裂变化学=0时，为临界状态。 此时，可以得到临界状态下Z和A的关系如下：它们的Z/A值远小于临界值50.13，它们为1表示它们正在变形。 是比较稳定的。 不同裂变参数的核素具有不同的势能面，鞍点处的原子核形状也不同。 裂变势能面的概念仅表示核素在裂变过程中形变过程中是否稳定，而不表示核素是否稳定。 13 核素.336.0236.8236.9738.110.710.720.730.740.76 第 13 章裂变 化学裂变势垒：原子核的变形增加了基态的能量。 当势能曲线达到峰值位置时，处于鞍点状态。 鞍点处的势能高度就是裂变势垒的高度。 根据液滴模型的理论，可以近似计算出裂变势垒的高度：当1/32/3时，当2/3/A的值大于35时，核的裂变势垒高度降至以下7MeV，如锕系核素的裂变势垒高度约为6MeV。 第十三章 化学裂变的裂变阈值能量： 裂变阈值能量：是指入射中子诱发目标核裂变所必须具有的最小能量，即入射中子必须具有的最小动能。 热中子可以诱发235U裂变，但不能引起238U裂变：因为热中子诱发235U裂变时，中子与235U形成的复合核是激发态的236U*。
这里的裂变核是236U。 由结合能公式计算出的激发能为6.54 MeV，236变换的势垒高度为5.9 MeV。 可见，复合核的激发能大于裂变核的裂变势垒高度，即E*Eb。 因此，热中子可以引起235U裂变。 然而，在238(n,f)反应中，裂变核是239U。 如果入射中子是热中子，则其复合核的激发能为4.8MeV，但裂变核239U的裂变势垒为6.2MeV，即E*Eb。 因此，热中子不能使238U发生裂变。 只有当入射中子的动能大于1.4MeV时才会发生裂变。 第十三章裂变化学裂变截面和激发曲线：核裂变是核反应的一种形式。 当一定能量的入射粒子轰击目标核时重核裂变，可能会发生各种类型的核反应，每个核反应称为一个反应通道。 反应前的通道称为入口通道，反应后的通道称为出口通道。 每个核反应都有一定的发生概率。 反应概率的大小通常用反应截面来表示。 裂变截面：表示核裂变发生概率的物理量。 它被定义为当粒子入射到每单位面积只有一个目标核的目标时发生核裂变反应的概率。 表 13.1 几种核素的热中子反应截面 (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 化学核裂变反应截面clei表面入射粒子的曲线能量变化称为激发曲线。
可裂变核的裂变截面随入射中子能量变化的曲线称为可裂变核的中子裂变激发曲线。 第十三章：裂变化学核裂变断点后的现象：复合核的变形一旦发展到鞍点，就会在10 -22 ～ 10 -21 时间内过渡到裂变断点，分裂成两块。 我们称它们为裂变碎片。 断点之后，两个裂变碎片之间只有库仑斥力在起作用。 核力是一种短程力，作用半径r=10-13厘米。 断裂后，核力将不再起作用。 在库仑斥力的作用下，两个裂变碎片向相反方向分离，并且具有很大的速度（动能）。 初始裂变碎片的中子/质子比与裂变核相似。 它们大多数是远离稳定线的富中子核。 它们仍然具有很大的变形和很高的激发能。 它们是非常不稳定的原子核，会放出过量的中子——瞬发中子。 大多数中子实际上是在裂变后不到 10 -15 秒内发射的。 我们将中子发射后的裂变碎片称为二次碎片，也称为裂变初级产物。 那么释放中子之前的裂变碎片称为初级碎片。 释放1到3个中子后，次级碎片的激发能降至中子结合能（8 MeV）以下，不足以发射原子核。 然而，此时的次级片段仍然可以以跃迁的形式去激发。 在裂变过程中，历史上记录的射线大部分是在中子发射后发射出来的，并且在裂变后不到10 -11 s内完成。
这些射线称为瞬时发射线。 那些发射出瞬发裂变中子和瞬发发射线的二次裂变碎片仍然是富中子、不稳定激发核素，将经历一系列衰变，最终转变为稳定核素。 这些初级裂变产物的一系列衰变构成了衰变链。 在同一条链上，所有链成员的质量数相等，故又称质量链。 第十三章裂变化学 原子核的裂变如：质量数为99的质量链为： 衰变产生的裂变产物称为二次裂变产物。 裂变产物是瞬发裂变中子和瞬发发射线发射后的所有裂变碎片的总称。 它包括裂变瞬间（衰变前）直接产生的初级裂变产物和衰变后产生的所有次级裂变产物。 裂变产物衰变的半衰期约为10 -2 秒或更长。 这比发射瞬发中子和瞬发发射线所需的时间长得多。 在衰变过程中，少数新产生的核素的激发能可能超过中子的结合能，从而可能发射出中子。 此时发射的中子称为延迟中子。 例如，对于质量数为87的链，其链成员87 Br衰变为87 Kr。 87 Kr是可以发射中子的激发能级。 当它衰变到这样的能级时，立即发射出中子。 这些中子的半衰期就是 87 Br 衰变的半衰期。 这样的中子就是缓发中子，激发态的 87 Kr 是缓发中子的发射极， 87 Br 是缓发中子的前驱核。 9944 10 9943 924 6599 42 1499 41 9940 47 9939 270 99 38 058 9937 124 9936 稳定 Ru Tc Mo Nb Zr SrRb Kr