當(dāng)熱中子(它的動(dòng)能跟常溫下氣體分子的動(dòng)能差不多)進(jìn)入一些具有奇數(shù)中子的重原子核(23592U,23392U,23994Pu)內(nèi)時(shí),裂變就可能發(fā)生。重核分裂時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)較小的核和兩個(gè)或更多個(gè)中子
(23592U平均產(chǎn)生2.5個(gè)中子)以及許多能量。典型的核裂反應(yīng)如有:
23592U 10n—→14156Ba 9236Kr 310n 能量
23592U 10n—→10342Mo 13150Sn 210n 能量
式中10n是中子。
從上面的核反應(yīng)方程來(lái)看,同一種核可能不只按一種方式分裂。裂變產(chǎn)物如14156Ba和9236Kr還能放射β粒子(0-1e)和γ射線(xiàn)(00γ),直到最后變成穩(wěn)定的同位素。
14156Ba—→0-1e 00γ 14157La
9236Kr—→0-1e 00γ 9237Rb
這些反應(yīng)的產(chǎn)物還能繼續(xù)放出β粒子,在幾個(gè)步驟之后,變成穩(wěn)定的同位素,分別為14159Pr和9040Zr。
能裂變的23592U在天然鈾礦中只占0.7%,其余的99.3%都是不能被熱中子分裂的23892U。反應(yīng)堆里用的鈾棒是天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2~4%)制成的。裂變產(chǎn)生的是速度很大的快中子,很容易被鈾235俘獲而不發(fā)生裂變,必須設(shè)法把快中子變?yōu)槁凶。因此,要在鈾棒周(chē)派辖凶鰷p緩劑的物質(zhì),它們不吸收或很少吸收中子,使快中子跟它們碰撞后,能量減小,速度減緩。常用的減緩劑有石墨、重水和普通水。如果放出的快中子被減緩速度,它們就能引起其他重原子發(fā)生裂變,這些核放出9個(gè)中子再引起9個(gè)鈾原子核裂變,這些裂變產(chǎn)生的27個(gè)中子再產(chǎn)生81個(gè)中子,……。這個(gè)過(guò)程叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在一定體積內(nèi),鈾樣品應(yīng)具有足夠的量維持鏈反應(yīng),這最低的樣品量叫做臨界質(zhì)量。
發(fā)生裂變時(shí)放出的巨大能量,可以按著名的愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系式E=mc2計(jì)算。這里,E是來(lái)自一定質(zhì)量m損失的能量,c是光速。如果使彼此分開(kāi)的中子、電子和質(zhì)子結(jié)合成任一特定的原子,就會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損。例如,根據(jù)各組成粒子的質(zhì)量能算出一個(gè)42He原子質(zhì)量是4.032982u。而由42He原子的實(shí)測(cè)質(zhì)量是4.002604u,所以質(zhì)量虧損是0.030378u。由于原子比彼此分開(kāi)的中子、質(zhì)子和電子更穩(wěn)定,原子處于較低的能級(jí)。因此,假定42He原子由分開(kāi)的質(zhì)子、電子、中子構(gòu)成,則每個(gè)原子損失的0.030378u將以能量的形式釋放出來(lái)。跟質(zhì)量虧損相當(dāng)?shù)哪芰拷凶鲈雍私Y(jié)合能。結(jié)合能和鍵能類(lèi)似,兩者都是把整體(原子核或分子)拆散成基本組分所需能量的量度。彼此分開(kāi)的核粒子比它們?cè)诤藘?nèi)結(jié)合時(shí)有更大的質(zhì)量。
原子序數(shù)在30~63之間的元素比起非常輕和非常重的元素,每個(gè)核粒子有較大的質(zhì)量虧損,這意味著最穩(wěn)定的核存在于原子序30~63的元素之間。由于它們相對(duì)穩(wěn)定性較好,絕大部分的核裂變產(chǎn)物都是原子序數(shù)為中間的元素。因此,當(dāng)發(fā)生裂變并生成較小的更穩(wěn)定的核時(shí),這些粒子的總質(zhì)量減小,質(zhì)量必然要轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?/font>
1kg23592U或23994Pu裂變時(shí)釋放的能量約相當(dāng)于20000tTNT。