核衰变
核衰变当原子核不稳定时就会自发地以辐射的形式释放能量。其结果是原子核变成一种或多种其他元素的原子核。这些女儿核比母核质量更低,更稳定(能量更低)。核衰变也被称为放射性衰变,它发生在一系列的连续反应中,直到形成一个稳定的原子核。
核反应释放出更多的能量,数量级超过放热的化学反应.
核辐射在能源生产、武器研制、癌症治疗和成像科学等方面都有应用。前两项申请往往充满政治色彩。
中子-质子比
neutron-to-proton比率 或 决定一个原子是否稳定。比例接近或等于1的元素被认为是稳定的。不管中子质子比如何,所有原子序数大于83的元素都是不稳定的,因此具有放射性。
上图中的黑线表示稳定带,其比例为1:1。随着原子序数的增加,曲线向上弯曲。随着原子质量的增加,需要更多数量的中子来克服质子之间强烈的静电斥力。这些原子没有稳定的 比率。为了克服这种不稳定性,原子核释放能量。这些排放被称为放射性.
核衰变的类型
有六种常见的核衰变类型。
1.α衰变产生一个氦-4原子核,也被称为α粒子.因此子核比母核少包含两个质子和两个中子。这种发射通常在原子质量大于或等于200的原子核中观测到。
2.β衰变通常在有大量中子的原子核中观察到。一个中子分裂成一个质子和一个高能电子β粒子),后者从原子核中喷射出来。
3.电子俘获发生在内层的电子与质子结合形成中子时。一旦在内层有一个开口,第二个电子将向下移动到一个较低的能态,导致x射线的发射。
4.伽马辐射是独特的,因为它不需要把一个元素变成另一个元素。通常,核衰变反应的产物是在激发态形成的。与处于激发态的电子返回基态时释放能量的方式类似,子核释放一个高能光子(a伽马射线),因为它达到稳定的形式。这一过程可以在瞬间发生,也可以在第一次核反应发生数小时后发生,这取决于所使用的元素。
5.正电子发射可以被认为是衰变的反面。一个质子分裂成一个中子和一个正电子。(一个正电子与电子质量相同,但电荷相反)然后正电子被逐出原子核。正电子发射断层扫描PET常用于医学。
6.自发裂变当一个原子核完全分裂,产生两个具有不同原子序数和原子质量的独立部分时发生。一种元素必须质量非常大,并且具有很高的中子与质子比,才能发生自发裂变。裂变释放出大量的能量。
放射性衰变规律
放射性半衰期
的半衰期一种放射性元素中有一半的原子核在一级反应中衰变所需要的时间。放射性同位素的半衰期可以是几分之一秒,也可以是数百万年,这取决于元素的种类。
半衰期
半衰期 被定义为放射性样品中原始原子数的一半分解所花费的时间。半衰期保持不变。即使样品已经经历了一个半衰期,下一个半衰期的时间周期仍然不变。
利用上面介绍的方程, 半衰期的定义是 所以,
元素的衰变常数为 每一天。找出元素的半衰期,单位是天。
我们有
的平均寿命放射性物质的衰变常数是衰变常数的倒数。
平均寿命
曼哈顿计划
在第二次世界大战期间,德国和美国都开始试验使用核反应来制造武器,美国在1945年8月首次成功地向日本城市投下了两颗原子弹。曼哈顿计划这是一个秘密项目,连接了全国各地的偏远设施,包括田纳西州的橡树岭;芝加哥,IL);洛斯▪阿拉莫斯,海里;汉福德,佤邦。这些设施通常位于农村地区,一方面是由于工作的保密性质,另一方面是由于处理核弹核心部件和测试武器所需的空间和机械。
原子武器的破坏力来自于炸弹核心元素的原子核分裂所产生的能量。美国在第二次世界大战期间研制了两种类型的原子弹。第一枚被称为“小男孩”(Little Boy)的原子弹是一种带有铀核的枪型武器,投放在日本广岛。投在长崎的第二种武器被称为“胖子”,是一种内爆型装置,核心是钚。
核武器的确切设计尚不公开,但基本的科学概念将在下文讨论。
选择铀235和钚239的原因是它们易于分解裂变。当中子撞击属于这些物种之一的原子核时,它将原子核分裂成碎片并释放能量。当原子分裂产生的中子撞击附近的原子核并产生更多的裂变时,裂变过程变得自我维持。这就是所谓的连锁反应最终导致了原子爆炸。
小男孩由铀同位素U-235提供动力,这需要广泛的提取和浓缩过程。世界上大多数天然发现的铀都以U-238的形式存在,天然存在的U-235同位素不到1%。当一个中子轰击U-238时,同位素通常捕获中子,变成U-239,无法裂变或引发引爆炸弹所需的链式反应。曼哈顿计划的第一个挑战是确定分离和纯化U-235的最有效的方法。一旦获得足够的U-235来为炸弹提供动力,“小男孩”就被制成了一种枪炮式的设计,即在炸弹内部将U-235的一部分发射到另一部分。合起来的质量达到临界点,引发了裂变链式反应。
胖子不能使用让“小男孩”有效爆炸的枪炮式设计——西弗吉尼亚州汉福德的核反应堆收集的钚的形式不允许这种策略,因为存在同位素pu240的痕迹。钚-240更高的裂变率会导致原子自发裂变,而在枪炮式设计将两个质量的钚聚集在一起之前,这将降低炸弹实际爆炸时涉及的能量。
新设计使用常规炸药包围中心的钚块来巩固钚,增加压力和密度。增加的密度使钚达到临界质量。为了引爆炸弹,炸药被点燃,释放出一种冲击波,压缩内部的钚,导致爆炸。
参考文献
- Bonica, J。原子弹.从检索https://archive.org/details/AtomBomb1946
- 国立卫生研究院。宠物.从检索https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NIH_PET.JPG
- 能源部。HD.6D.752.从检索https://www.flickr.com/photos/37916456@N02/13471524393
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- FastFission。枪式裂变武器.从检索https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gun-Type_Fission_Weapon.png