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,原子核变成了一个或多个其他元素的原子核。这些女儿核质量更低,比母核更稳定(能量更低)。核衰变也被称为放射性衰变,它在一系列的连续反应中发生直到达到一个稳定的原子核。
核反应释放的能量比放热的化学反应.
核辐射在能源生产、武器开发、癌症治疗和成像科学方面都有应用。前两项申请往往带有政治色彩。
中子-质子比
neutron-to-proton比率 或 决定一个原子是否稳定。比值接近或等于1的元素被认为是稳定的。无论中子与质子的比例如何,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,需要更多的中子来克服质子之间的强静电斥力。这些原子没有稳定的 比率。为了克服这种不稳定性,原子核会释放能量。这些排放被称为放射性.
核衰变的类型
核衰变有六种常见类型。
1.α衰变产生氦-4核,也被称为α粒子.子核因此比母核少包含两个质子和两个中子。这种类型的发射通常在原子质量为200或更大的原子核中观察到。
2.β衰变通常在含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),后者则被逐出原子核。
3.电子俘获当内层的电子与质子结合形成中子时发生。一旦内壳上有一个开口,第二个电子就会移动到一个较低的能态,从而导致x射线的发射。
4.伽马辐射是唯一的,因为它不一定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相似,子核释放高能光子(a伽马射线),当它达到稳定形态时。这一过程可能在第一次核反应发生后立即发生,也可能在几小时后发生,具体取决于所使用的元素。
5.正电子发射可以被认为是衰变的对立面。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.自发裂变当原子核完全断裂时,产生两个原子数和原子质量不同的独立部分。一种元素必须是非常大的质量,并且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
的半衰期是样品中一半的原子核在一级反应中衰变所花费的时间。根据元素的不同,放射性同位素的半衰期可以是几分之一秒,也可以是几百万年。
半衰期
半衰期 定义为放射性样品中原始原子数的一半崩解所花费的时间。半衰期保持不变。即使样品经历了一个半衰期,下一个半衰期的时间周期保持不变。
利用上面介绍的方程, 半衰期的定义 所以,
元素的衰变常数为 每一天。求元素的半衰期,以天为单位。
我们有
的平均寿命是衰变常数的倒数。
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,美国率先成功,于1945年8月向日本城市投掷了两颗原子弹。曼哈顿计划这是一个秘密项目,连接全国各地的偏远设施,包括橡树岭、TN;芝加哥,IL);洛斯▪阿拉莫斯,海里;汉福德,佤邦。这些设施往往位于农村地区,这既是由于工作的秘密性质,也是由于处理核弹核心元素和测试武器所需的空间和机器。
原子能武器的破坏力来自于炸弹核心元素原子核分裂所产生的能量。美国在第二次世界大战期间开发了两种类型的原子弹。第一个被称为“小男孩”的炸弹被投掷在日本广岛,是一种带有铀核的枪支型武器。第二枚原子弹落在长崎,被称为“胖子”,是一个内爆型装置,有一个钚核。
核武器的确切设计还没有公开,但基本的科学概念将在下面讨论。
选择同位素铀235和钚239是因为它们易于发生爆炸裂变。当中子撞击属于这些原子的原子核时,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。这被称为a连锁反应最终导致了原子弹爆炸。
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。世界上自然发现的大多数铀以U-238的形式存在,只有不到1%的铀-235同位素自然存在。当中子轰击U-238时,同位素通常捕获中子成为U-239,而不会裂变或引发引爆炸弹所需的连锁反应。曼哈顿计划的第一个挑战是确定最有效的分离和净化U-235的方法。一旦获得足够的U-235来为炸弹提供动力,“小男孩”就采用枪炮式设计,将炸弹内部的一部分U-235发射到另一部分。这些合在一起的质量达到了临界点,从而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支式设计——由于存在同位素pu240的痕迹,从西弗吉尼亚州汉福德的核反应堆收集的钚形式的炸弹不允许这种策略。钚-240的较高裂变速率会导致原子在炮式设计将两种钚聚合在一起之前发生自发裂变,这将降低炸弹实际爆炸时的能量。
新设计使用常规炸药包围一个中心钚块,以巩固钚,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,释放出冲击波,压缩了内部的钚,导致爆炸。
参考文献
- Bonica, J。原子弹.从检索https://archive.org/details/AtomBomb1946
- 美国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