La imagen lateral es la curva de distribución de masa de los fragmentos de fisión de uranio-235. En la figura se puede ver claramente que la curva de distribución tiene dos picos, uno cerca del número de masa 95 y el otro cerca del número de masa 138. La curva bimodal muestra que la mayor parte de la fisión nuclear del uranio es fisión asimétrica y la probabilidad de fisión simétrica es muy pequeña (cerca del número de masa 118). Esta fisión asimétrica fue confirmada por varios métodos experimentales poco después del descubrimiento del fenómeno de la fisión, pero hoy en día, con grandes avances en la teoría nuclear, la causa de esta fisión asimétrica sigue siendo un misterio. Cuando los núcleos de uranio se fisionan, la situación más común es la división en dos fragmentos, pero la probabilidad es muy pequeña, sólo unas pocas milésimas. Este fenómeno llamado "triple fisión" fue descubierto por primera vez en 1946 por los famosos físicos nucleares de China, Qian Sanqiang y He. Aunque la probabilidad de una triple fisión es muy pequeña, todavía se está estudiando porque puede explicar más claramente el mecanismo de la fisión.
Los fragmentos producidos por la fisión nuclear son generalmente neutrones sobrantes. Poco a poco convierten los neutrones sobrantes en protones emitiendo electrones (desintegración β), es decir, alcanzando un estado estable a través de una serie de desintegraciones β. Por tanto, la mayoría de los productos de fisión suelen ser isótopos radiactivos beta. ¿Por qué los fragmentos producidos por la fisión nuclear suelen tener un exceso de neutrones? ¿Por qué no faltan neutrones o el número de neutrones es exactamente igual al número de protones?
Sabemos que el núcleo de un átomo está compuesto por protones y neutrones (llamados colectivamente nucleones). Existe una fuerza muy fuerte entre los núcleos, llamada fuerza nuclear, que es la gravedad de corto alcance. Dentro del núcleo, esta fuerza es muy fuerte. Fuera del núcleo, cae rápidamente a cero y esta fuerza mantiene el núcleo dentro del núcleo. Además, existe una repulsión electrostática entre protones, que aumenta con el aumento del número atómico, es decir, con el aumento del número de protones en el núcleo. Por lo tanto, para mantener la estabilidad del núcleo, se necesitan más fuerzas nucleares generadas por el exceso de neutrones para equilibrar esta fuerza repulsiva. Por lo tanto, la relación entre el número de neutrones y el número de protones en un núcleo estable aumenta al aumentar el número atómico. Por ejemplo, la relación entre el número de neutrones y el número de protones en elementos ligeros como el carbono y el oxígeno es 1, la relación entre el número de neutrones y el número de protones en elementos de peso medio como el bromo y el bario es 1,3 , y la relación entre el número de neutrones y el número de protones en elementos pesados como el uranio y el torio es 1,3. La relación entre el número de protones es 1,6. Si la relación entre el número de neutrones y el número de protones en el núcleo es menor o mayor que la relación apropiada correspondiente, será inestable.
En el caso de la fisión nuclear de uranio, la relación entre el número de neutrones y el número de protones en el uranio es aproximadamente 1,6, por lo que, por supuesto, la relación entre el número de neutrones y el número de protones en el Los fragmentos son aproximadamente 1,6. Pero la fisión produce elementos de masa media, que son estables cuando la relación entre el número de neutrones y el número de protones es aproximadamente 1,3. Obviamente, estos fragmentos tienen un exceso de neutrones e inevitablemente reducirán la relación entre el número de neutrones y el número de protones a aproximadamente 1,3 en forma de desintegración beta, alcanzando así un estado estable. Sin embargo, esto naturalmente plantea una pregunta: ¿durante el proceso de fisión de los núcleos de uranio, algunos neutrones sobrantes se emitirán directamente en forma de neutrones libres en lugar de permanecer en los fragmentos? Esta importante cuestión ha sido estudiada por muchos científicos y los resultados muestran que cuando la fisión del uranio libera algunos neutrones libres, a menudo llamados neutrones secundarios. Antes de describir la importancia de este hecho, echemos un vistazo a otro hecho importante: la fisión nuclear del uranio no sólo libera neutrones secundarios, sino que también libera una enorme energía. Consulte el cálculo a continuación:
Supongamos que el uranio-235 absorbe un neutrón, se divide en un núcleo de bromo-85 y un núcleo de lantano-148 y libera tres neutrones al mismo tiempo. La masa del uranio 235 es 235,124, la del bromo 85 es 84,938, la del lantano 148 es 147,96 y la del neutrón es 1,009.
Entonces la masa total antes de la fisión es: 235.438+024+1.009 = 236.438+033;
La masa total después de la fisión es: 147.96+84.938+3×1.009 = 235.925; /p>
La pérdida de masa durante la fisión es: 236.438+033-235.925 = 0.208.
¿Dónde está la cualidad que falta? Según la teoría de la relatividad de Einstein, se convierten en energía. Einstein derivó una famosa fórmula de conversión masa-energía: donde c es la velocidad de la luz (unos 300.000 kilómetros por segundo), m es la masa de un objeto estacionario y e es la energía contenida en un objeto estacionario. A partir de esta fórmula se puede calcular fácilmente que la energía liberada por la fisión nuclear del uranio es de aproximadamente 194 MeV. En términos generales, cada fisión libera unos 200 MeV de energía.
Este valor es enorme. Por ejemplo, la energía liberada por la fisión completa de 1 g de uranio-235 equivale a la energía liberada por la combustión completa de 2 millones de g (2 toneladas) de carbón de alta calidad. En otras palabras, ¡la energía de fisión es aproximadamente dos millones de veces mayor que la energía química!
Cuando los núcleos de uranio se fisionan, uno libera neutrones y el otro libera una enorme energía. Estos dos valiosos atributos atraen la atención de la gente. A la gente le interesa especialmente cuántos neutrones se pueden liberar en cada fisión, porque esto tiene que ver con si se puede realizar una reacción en cadena, es decir, si se puede abrir un camino para la utilización práctica de la energía atómica.
Después de los esfuerzos de muchos científicos, rápidamente se determinó que cada núcleo de uranio-235 libera un promedio de aproximadamente 2,5 neutrones cuando el núcleo se divide. La naturaleza ha hecho esta disposición especial para nosotros: ¡el número de neutrones secundarios es mayor que 1! Así, el descubrimiento de la fisión nuclear del uranio se convirtió en un descubrimiento extraordinario. Si el número medio de neutrones secundarios producidos por fisión es inferior a 1, entonces el valor del descubrimiento es completamente diferente de nuestro interés en él.
La fisión nuclear del uranio se produce bajo la influencia de neutrones. Si se liberan dos neutrones secundarios durante la fisión, estos dos neutrones secundarios provocarán la fisión de dos núcleos de uranio, y la liberación de cuatro neutrones secundarios provocará la fisión de cuatro núcleos de uranio. Si esto continúa, la escala de la reacción automáticamente será cada vez mayor, e inmediatamente aparecerá ante nosotros una imagen de una reacción en cadena nuclear de uranio. ¡Cuántos científicos atrajo! Condiciones para una reacción en cadena: el volumen del bloque de uranio debe ser mayor que el volumen crítico.
De hecho, los científicos han hecho grandes esfuerzos para realizar la reacción en cadena de la fisión nuclear y hacer que beneficie a la humanidad. Ahora analicemos teóricamente las condiciones para realizar una reacción en cadena. Los neutrones son el medio que realiza la reacción en cadena de la fisión nuclear, por lo que si la reacción en cadena de un sistema puede continuar, el número de neutrones al menos no debe disminuir con el tiempo.
Generalmente llamamos a la relación entre el número de neutrones de una determinada generación y el número de neutrones de la generación anterior en el sistema como coeficiente de multiplicación de neutrones, representado por k. Cuando k = 1, el número. de neutrones en el sistema permanece constante, la reacción en cadena continúa a una velocidad constante. Este estado se llama estado crítico. k & gtl, el número de neutrones será cada vez mayor y la escala de la reacción en cadena será cada vez mayor. Esta es la llamada supercriticidad. Y k