改變軍事與能源的力量 核分裂與核融合 - 科學月刊
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核分裂(nuclear fission),是指由原子序數較大的原子核,如鈾(uranium, U)與鈽(plutonium, Pu)分裂成兩個或以上的原子序數較小原子核。
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2020-03-01改變軍事與能源的力量─核分裂與核融合
603期
Author作者
高崇文/中原大學物理系教授,研究領域為高能物理。
原子核核分裂核融合鈾原子核
原子核也能被裂解:核分裂
核分裂(nuclearfission),是指由原子序數較大的原子核,如鈾(uranium,U)與鈽(plutonium,Pu)分裂成兩個或以上的原子序數較小原子核。
核分裂是由邁特納(LiseMeitner)、哈恩(OttoHahn)及弗里施(OttoFrisch)等科學家於1938年發現,而核分裂的發現過程其實充滿曲折離奇。
1934年,義大利科學家費米(EnricoFermi)認為利用慢中子撞擊釷(thorium,Th)與鈾所得到的具放射性物質,是原子序高於鈾的新元素。
然而當時的德國女化學家諾達克(IdaNoddack)對此想法不以為然,她獨排眾議,認為該物質應是原子序低於鈾的元素,換言之,釷跟鈾元素是被裂解開來!不過由於慢中子傳遞到鈾元素的能量實在很低,難以想像釷與鈾居然能輕易被裂解,所以當時物理界對於諾達克的異議完全無法認同。
雖然費米在1938年因為此研究而得到諾貝爾物理獎的肯定,但隨後居禮(IrèneJoliot-Curie)卻發現這些超鈾元素的化學性質與週期表的預測完全不吻合,著實讓科學家們傷透了腦筋。
最後還是由奧地利女物理學家邁特納找到了答案。
解答核分裂機制
邁特納是出身於奧地利維也納的女科學家,1933年時,因身為猶太人而使她喪失在德國柏林擔任教授的資格。
而當1938年奧地利被德國吞併後,她更被迫逃亡到瑞典,在諾貝爾研究所(NobelInstitute)繼續她的研究工作。
同年11月,德國物理學家哈恩與邁特納在丹麥哥本哈根會面後,回到柏林與助手史特曼(FritzStrassman)進行實驗,確認鈾被慢中子轟擊後,的確會裂解成鋇(barium,Ba)和鎝(technetium,Tc),而且此過程的產物質量總和小於原先鈾的質量!對實驗結果到不解的哈恩,曾寫信給邁特納,表達自己的疑惑。
後來,邁特納和她的姪子弗里施利用波耳(NielsBohr)的原子核液滴模型(liquiddropmodel)進行計算,發現當中子撞擊鈾-235的原子核後,原子核內部在吸收中子的能量後產生劇烈的啞鈴狀震盪,導致原子核結構會因震盪過大而瓦解,產生出兩個質量較小的原子核,並釋放出2~3個新的中子(圖一)。
裂解後的兩個原子核總質量小於最初的鈾原子核,此微小的質量差變成了能量。
當邁特納透過愛因斯坦的質能轉換方程式E=mc2,計算出每個裂變過程中原子核會釋放2億電子伏特(eV),相當於3.24×10-11焦耳的能量。
圖一:核分裂過程。
鈾–235被中子撞擊後,因吸收一個中子,轉變為鈾–236,後續鈾–236分裂為兩個較小的原子核:氪–92(krypton-92)、鋇–141(barium-141)及三個中子。
下方為核分裂的反應式。
據說當波耳得知此結果後感嘆道:「啊,我們真蠢啊。
」而1939年邁特納和弗里施共同發表的論文《中子導致的鈾的裂體:一種新的核反應》(DisintegrationofUraniumbyNeutrons:ANewTypeofNuclearReaction),首次提出核分裂的理論基礎。
弗里施將此現象命名為核分裂(fission),而哈恩也因為發現核分裂現象,三人共同獲得1944年度的諾貝爾化學獎(1945年頒發)。
……【更多內容請閱讀科學月刊第603期】
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