U235 核的裂变过程。该核吸收一个中子，变成 236U 核。236U 核随后裂变成两个移动速度更快的较小核，释放出三个中子，同时产生伽马射线。
核裂变
裂缝
核裂变
它指的是核反应或放射性衰变，其中较重的原子（原子序数较大的原子），主要是铀或钚，分裂成较轻的原子（原子序数较小的原子）。核裂变最早是由莉泽·迈特纳、奥托·哈恩和奥托·罗伯特·弗里施于 1938 年提出的，他们发现原子弹和核电站的能量来源是核裂变。早期的原子弹是由钚-239 制成的。铀-235 裂变在核电站中最为常见。
重核原子被中子击中后分裂成两个较轻的原子，释放出数个中子和以伽马射线形式存在的光子。释放出的中子又撞击其他重核原子，从而形成链式反应，原子核自发分裂。原子核裂变时，不仅释放中子，还会释放热量。核电站发电的能量就来自此。因此，核裂变产物的结合能必须大于反应物的结合能。
核裂变会将一种化学元素变成另一种化学元素，所以核裂变也是一种核迁移。形成的两个原子的质量会略有不同，对于常见的可裂变物质同位素来说，形成的两个原子的质量会略有不同，质量比约为。大多数核裂变会形成两个原子，偶尔也会有形成三个原子的核裂变，称为三元裂变（由钱三强和何泽慧发现），大约千分之一会产生二到四元裂变，其中形成的最小产物介于质子和氩核大小之间。
现代核裂变大多是有意为之，由中子撞击引发的人工核反应。偶尔，也有自发核裂变，由放射性衰变引起，不需要中子引发，特别是在一些质量数非常高的情况下。高同位素产物的组成具有相当大的概率性，甚至是混乱的，这与量子隧穿产生的裂变不同，例如质子发射、α衰变和团簇衰变，这些裂变每次都会产生相同的产物。核电站的能量来源是核裂变。核燃料是指当中子撞击它时会释放中子的物质，从而产生链式反应，使核裂变继续进行。在核电站中，能量产生率控制在较小的速率，而在原子弹中，能量的释放非常迅速且不受控制。
由于每次核裂变释放的中子数量大于一个，如果不控制链式反应，在极短的时间内，同时发生的核裂变数量会成倍增加，如果原子数量足够多，瞬间就会释放出大量能量。原子弹就是利用核裂变的这种特性，制造原子弹所用的重核含量必须在90%以上。
核能发电应用中使用的核燃料通常含有极低水平的铀-235，约 3% 至 5%，因此不会引起核爆炸。然而，核电站仍需要控制反应堆中的中子数量，以防止电力耗尽。浓度过高会导致堆芯熔毁。硼通常被添加到反应堆慢化剂中，控制棒用于吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速率。从镉开始的所有元素都可以分裂。
核裂变时，大部分裂变中子在裂变后立即释放，称为瞬发中子，少部分在稍后（一至几十秒）释放，称为缓发中子。
裂缝
机制
核裂变可以在没有中子的情况下发生。这种类型的核裂变称为自发裂变，这是一种仅在少数较重同位素中发生的放射性衰变。然而，大多数核裂变是一种核反应，其中中子撞击导致反应物分裂成两个较小的原子核。核反应是由中子撞击机制产生的，不受自发裂变相对固定的指数衰减和半衰期特性的控制。
现今人们知道的核反应有很多种，核裂变与其他核反应最大的不同就是，核裂变是由中子碰撞而产生的，产生的多个自由中子会与其他原子核碰撞，引发更多的核裂变，成为核链式反应（链式反应的一种），有时可以控制一些条件来调整核链式反应的程度。
能产生核链式反应的化学元素的同位素称为核燃料，又称可裂变材料。其中最重要的是U235（铀的同位素，原子量为235）和Pu239（钚的同位素核裂变反应方程式，原子量为239）。核燃料分裂后，大部分会形成原子量在95至135之间的元素（核裂变产物）。大多数核燃料会非常缓慢地通过α/β衰变链发生自发裂变，时间范围从数千个世纪到几个地质年代。在核反应堆或核武器中，大多数核裂变是由中子撞击引起的，而核裂变也会产生中子，从而引发更多的核裂变。
诱发核裂变事件，其中慢中子被铀 235 原子核吸收，分裂成两个快速移动、较小且中子较多的元素。大部分能量转化为核裂变产物和中子。动能
小河头日出
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连锁反应
许多重元素，如铀、钍和钚，既能通过放射性衰变自发裂变，也能通过中子引发的核反应自发裂变。任何能通过吸收中子而发生核裂变的原子核都被称为“可裂变材料”，但能吸收慢速移动的热中子而发生核裂变的原子核被称为可裂变材料。一些特殊的可裂变材料及其同位素（如U233、U235和Pu239）能维持链式反应，并能提取出足够数量以供使用，这类材料被称为核燃料。
一切可裂变和易裂变物质都会有部分原子发生自发裂变，释放出部分自由中子。自由中子的半衰期约为15分钟，之后衰变为质子和β粒子，但在半衰期到来之前，中子已经碰撞到了其他原子（新衰变中子的速度约为光速的7%，甚至慢中子的速度也是音速的8倍。）。部分中子会撞击原子，引发进一步的核裂变。核燃料充满，或者中子维持足够长的时间，放出的中子数量大于离开核燃料的中子数量，这就是持续的核链式反应。
能够维持持续核链式反应的组件称为临界组件。如果组件完全由核燃料组成，则称为临界质量。临界一词指的是控制燃料中自由中子的微分方程的尖点。如果质量小于临界质量，核链式反应将继续。中子的数量由放射性衰变决定，如果质量大于临界质量，中子的数量由链式反应决定。临界质量的实际质量受几何形状和周围材料的影响。
并非所有的裂变材料都能产生核链式反应，例如U238是铀的最丰富同位素，它是裂变材料，但不是核裂变材料，如果能量超过1MeV的中子击中U238，就会发生核链式反应，虽然会发生裂变，但产生的中子能量大部分不足以引起其他裂变，所以这种同位素不会产生核链式反应。如果U238被慢中子击中，U238会吸收中子（形成U239）核裂变反应方程式，并β衰变形成Np239，后者再以同样的过程衰变为Pu239。这也是中子增殖反应堆生产Pu239的方法。
链式反应图。
1. 铀235原子吸收一个中子，分裂成两个较小的新原子，释放出三个中子和结合能。
2. 其中一个中子被铀-238吸收，链式反应不会继续。另一个中子不会与其他原子碰撞。最后一个中子与另一个铀-235原子核碰撞，释放出两个中子。链式反应继续。
3. 两个中子与铀235原子核碰撞，分别释放出1至3个中子，从而继续链式反应
红烧猪肘
豆汁橡胶圈
核反应堆
最常见的核反应堆类型是临界反应堆，在临界反应堆中，核燃料产生的中子会引发更多的核反应，从而保持可控的能量水平。有些核反应堆无法自行继续产生核反应，称为亚临界反应堆。使用衰变或粒子加速器来诱发核裂变。
德国菲利普斯堡核电站的冷却塔
建造临界核反应堆的原因有三点，目的可能是需要核裂变产生的能量或中子，因此有不同的工程考虑：
1、核能发电希望获得核裂变产生的能量，可能用来供给发电厂，或者作为核动力潜艇的动力来源。
2.研究用核反应堆的目的是获取中子和核放射性元素，用于科学、医学、工程或其他研究目的。
3. 中子增殖反应堆的目的是从高丰度同位素中提取核燃料。快中子增殖反应堆更为人熟知，它从自然界丰富的U238（非核燃料）中提取Pu239。过去曾开发过热中子增殖反应堆，使用Th232提炼U233（钍燃料循环），目前仍在开发中。
理论上来说，所有核反应堆都能达到上述三个目的，但在实际应用中，这三个工程目的相互冲突，大多数核反应堆只考虑其中之一。将核能转化为热能，再加热工作流体，推动热机产生机械能或电能。工作流体通常是水，用蒸汽涡轮发动机，但有些设计也使用氦气作为工作流体。利用核反应堆产生中子的研究可用于许多领域，核裂变产生的热量被认为是无法使用的废热。中子增殖反应堆是特殊的研究核反应堆，它处理燃料本身，即U238和U235的混合物。
原子弹
原子弹是利用核裂变的能量造成破坏的一种核武器。原子弹是专门设计的核反应堆，在原子弹因释放自身能量而爆炸之前，尽可能快地释放大量能量。研制原子弹的目的之一就是为了制造原子弹。美国的曼哈顿计划汇集了早期研究核裂变链式反应的许多科研成果，进行了三位一体核试验，并于1945年8月在广岛和长崎投下了小男孩和胖子原子弹。
1945 年，长崎原子弹爆炸时，震中的蘑菇云高达 18 公里。原子弹爆炸造成至少 6 万人死亡。
即便是第一颗原子弹，威力也是同等重量化学炸药的数千倍，例如小男孩原子弹重约4吨，其中60公斤是核燃料，长约3.4米，它的爆炸威力相当于现代核武器（包括氢弹等）的破坏力，比同等重量的第一代纯核裂变武器的破坏力大数百倍，所以现代核导弹弹头只有小男孩核燃料重量的1/8，TNT当量为47.5万吨，可以摧毁比城市大十倍的面积。
原子弹和受控核反应堆中的核裂变链式反应的物理原理相同，但在工程设计上有显著差异。原子弹的目的是一次性释放所有能量，而核反应堆则希望连续释放能量。核反应堆过热，导致核心熔化和蒸汽爆炸。由于核反应堆中浓缩铀的浓度比原子弹低得多，因此不可能造成像原子弹爆炸那样的大规模破坏。以目前的技术，从原子弹中提取有用能量仍然非常困难，但当时有一个火箭推进系统，猎户座，计划是在飞船后面放上大量的保护和屏蔽，然后在飞船后面引爆原子弹。
核武器在军事战略上的重要性也使得核裂变技术具有极高的政治敏感性。从工程角度看，目前的原子弹相对简单，但核燃料的获取困难是大多数国家无法制造原子弹的原因，只有少数国家有能力制造原子弹，只有现代工业国家才拥有核燃料和专门的生产计划。
历史
核裂变是1938年在威廉皇帝化学研究所（现柏林自由大学）的建筑物中发现的，此前人们在描述原子内部的放射性和原子核物理科学方面已经研究了近五十年。1911年，卢瑟福提出原子模型（卢瑟福模型），原子核由一个小而致密、带正电的原子核组成，原子核内含有许多质子（当时还没有发现中子），周围有许多在轨道上运动并带负电荷的电子。尼尔斯·玻尔于1913年在此基础上进行拓展，并加入了电子的量子特性（玻尔模型）。亨利·贝克勒尔、玛丽·居里和皮埃尔·居里的研究以及卢瑟福的进一步研究指出，原子核的束缚力虽然很强，但是核衰变有不同形式（如α衰变，会放出α粒子，也就是带有两个中子和两个质子的氦原子核），进而嬗变为其他元素。
科学家此前已经对核嬗变进行了一些研究。1917年，卢瑟福利用α粒子将氮原子嬗变成氧原子，这是首次观察到的核反应，即试图使一个粒子衰变并产生其他粒子。1932年，卢瑟福的同事欧内斯特·沃尔顿和约翰·考克饶夫完成了完全人工的核反应和核嬗变，利用人工加速的质子撞击锂-7，将其分裂成两个α粒子，当时被称为“分裂原子”，但这与后来重元素的核裂变不同。当时还研究了“原子结合”（即核聚变）的可能性。第一次人工核聚变是由马克·奥利弗于1932年开始的，他将两个加速的氘核（包含一个中子和一个质子）聚变成一个氦核。
英国科学家詹姆斯·查德威克于1932年发现中子，随后，1934年，恩里科·费米与他在罗马的同事用中子轰击了原子序数为92的铀原子，费米认为，他们实验产生的元素具有93和94个质子，并因此被命名为93和94，但也有科学家不同意费米的结论，德国科学家伊达·诺达克在1934年提出质疑网校头条，认为产生的元素并不是一个新的原子序数为93的元素，而是“原子核被分成了几个较大的碎片”。不过，当时支持诺达克说法的人并不多。
费米的论文发表后，奥托·哈恩、莉泽·迈特纳和斯特拉斯曼在柏林进行了类似的实验。迈特纳是奥地利犹太人，1938 年纳粹占领奥地利后他失去了身份。迈特纳逃往瑞典，但仍与哈恩保持通信。12 月 19 日，迈特纳收到哈恩的信时，有一些化学证据表明中子击中铀产生的原子是钡。托马斯·罗伯特·弗里施当时也在瑞典。哈恩认为这是原子核爆炸，但他不知道这一结果的物理基础。钡的原子质量比铀小 40%，当时没有已知的衰变会怀疑这一结果，但迈特纳相信哈恩在化学方面的专业知识。 迈特纳和弗里施正确地解释了哈恩实验的结果，铀原子核分裂成大约两个。弗里施建议这个过程可以称为“核裂变”，借用了生物细胞分裂的过程，即一个细胞分裂成两个。
1938年12月22日，哈恩和斯特拉斯曼向《自然科学》杂志投稿，声称他们用中子轰击铀发现了钡。同时，他们将实验结果寄给了瑞典的《物质》杂志。迈特纳、弗里施和纳纳正确地把这个结果解释为核裂变的证据。弗里施于1939年1月13日证实了这一实验。因为证实了中子轰击铀产生的钡是核裂变产物。哈恩因“发现重核的核裂变”而获得了1944年诺贝尔化学奖（该奖直到1945年才颁给哈恩，因为诺贝尔委员会认为1944年化学奖的提名人不符合诺贝尔奖的要求。这是贝尔的遗愿，诺贝尔委员会可以把奖推迟到次年颁发）。
工艺壶后记：
中子的发现
中子的发现过程，是粒子物理学发展的一部漫长历史，犹如一部惊心动魄的武侠小说，诞生了太多伟大的物理学家、化学家，也诞生了众多的诺贝尔奖获得者。
由于上课时间有限，老师没能把这里很多有趣的故事讲给大家听，以后老师一定会抽时间弥补，不能让大家错过这么精彩的历史！！！
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