关于裂变化学介绍

[拼音]：liebian huaxue

[外文]：fission chemistry

核化学中以化学的方法为主，结合现代实验核物理技术，研究重原子核的分裂规律和裂变产物的分支学科。1938年O.哈恩等发现铀核分裂现象时，就是用严密的化学逻辑进行分析，从而得出原子核能够分裂这一重大科学结论的。

核裂变是一个重原子核分裂成两个质量相近的新原子核（称为轻、重两个裂片），同时放出大量能量和几个中子的过程;也有分裂成更多裂片的情形，但几率很小。一个重原子核既可以和核衰变一样自发地分裂，并有自发裂变的半衰期；又可以和核反应一样受中子、光子及其他粒子的轰击而引起核分裂。当前，除了继续寻找可自发分裂的新的重核素外，还使用各种能量的粒子（轻离子、重离子、μ子等）轰击各种较重的原子核，广泛研究裂变反应。已经找到60多个具有自发裂变特征的核素；能够接受入射粒子轰击而产生裂变的重核就更多了，而且随着入射粒子所带能量的提高，可以进行分裂的核素还在不断增加。然而，真正具有实用价值并且研究得比较详细的，仅有锎252的自发裂变，铀235、钚239和铀233的热中子裂变。

裂变化学的研究范围主要有：

（1）在自然界寻找可裂变核素，研究可裂变核素存在的条件，确定它们的性质、生产方法和应用价值。

（2）研究裂变产物的产额同其质量和电荷的关系，运用归纳的方法总结实验事实，分析、探索各种核素发生分裂的内在规律，最后得出对裂变现象的合理解释（见裂变产额、裂变产物的质量分布、裂变产物的电荷分布）。例如，关于重核自发裂变的研究证明，随着原子序数的增大，重核自发裂变的不稳定性也增加；在同位素核中自发裂变半衰期的最大值出现在中子数和质子数之比为1.55的核素。奇质量数核的自发裂变半衰期又都比相邻的偶偶核(核电荷数Z和质量数A均为偶数的核)为大。将实验测得的偶偶核自发裂变半衰期对各核素的Z2/A作图，可以得出图

中所示的关系。图中的直线外推到自发裂变半衰期值的极小区时，Z2/A的值约为47，这和理论预言的临界值50.12比较接近。重核的Z2/A小于它的临界值时，核体系是介稳的；大于50.12时，核体系是不稳定的。

（3）研究裂变产物的分离和分析的方法以及重核发生裂变后产生新的核素，放出中子、γ射线和中微子等现象。（见裂变产物化学）

核裂变放出的能量是最早引起人们注意的。热中子引起铀235核裂变时放出的能量见表。

由重核裂变所生成的轻、重两个裂片的动能是遵循统计规律的。典型的最可几值是：轻裂片为70兆电子伏，重裂片为100兆电子伏。裂变所生成的两个裂片，每一个裂片所取的电荷数和质量数，在一定的范围内也是随机的。现有的实验技术还无法对同一种核素的单个原子核的裂变现象逐个地观察，得到的只是该种核素的大量核裂变事件的统计结果。发生裂变反应后的体系是一个复杂的体系，如铀235的热中子裂变产生的裂片包含有36种元素的90多种核素。初裂片经一系列β衰变后，生成更多的产物核。

观察初裂片的形成过程、存在的条件和生成后的衰变，是认识核裂变现象的重要途径。

裂变过程中发射的中子有两种：一种是重核分裂时和初裂片形成后的1O-14秒内发射的中子，称为瞬发中子；另一种是缓发中子，它是具有一定能量的裂片(Z、N)经过β衰变后的子体产物(Z+1、N-1)（所具有的能量仍然高于中子的结合能）在去激时发射出来的中子。缓发中子发射的寿命在0.1秒到1分钟之间，产额约占裂变中所产生中子总量的1％。

裂变化学的研究成果已用于解决生产实际和科学研究等领域里的课题。核能的利用、核爆炸和核能发电等用途都给裂变化学研究提出了课题，核燃料后处理和核裂片的利用更是与裂变化学密切相关，例如：

（1）反应堆中燃料燃耗的测定 反应堆常用铀 235作为燃料。燃耗指随着反应堆的运行，燃料中铀235消耗的量。可以选取一种较长寿命的裂片核素如铯137作比较，利用已经准确测定的裂变产额，从堆芯中取样分析铯137的含量，就可换算出铀235的消耗量。

（2）原子d装料性质的分析 从核爆炸后生成的烟云及落下灰中取样，分析其中某些裂片核素的含量，可以推断炸d中的原始装料情况。

（3）利用裂变现象计时 天然存在的铀 238核自发裂变的半衰期很长，约为9.8×1015年，产生的裂片带有巨大动能和很高的电荷。带电的高能裂片在结晶固体中运动，能造成晶格的损伤，从而留下一种永久的裂变径迹。根据裂变径迹的密度，测定出铀 238在固体中的含量后，可算出每年由于铀 238在固体中自裂变所造成的裂变径迹数，从而推断出结晶固体存在的年龄。这种测定年代的方法，已用于矿物、地质和天体的研究中。

参考书目

1. R.Vandenbosch and J.R.Huizenga，Nuclear Fission，Academic Press， New York，1973.
2. M.班乃迪等著，汪德熙等译：《核化学工程》，原子能出版社，北京，1987。(M.Benedict，et al.，Nuclear Chemical Engireering，2nd ed.，McGraw-Hill，New York，1981.)