原子核裂变

**核分裂**（德語：Kernspaltung；英語：nuclear fission），在中國大陸稱作**核裂變**，是指由較重的（原子序數較大的）原子，例如鈾或鈽，分裂成較輕的（原子序數較小的）原子的一種核反應或放射性衰變形式。核分裂是由莉澤・邁特納、奧托・哈恩、弗里茨・施特拉斯曼及奧托・羅伯特・弗里施等科學家在 1938 年發現。原子彈以及核電廠的能量來源都是核分裂。早期原子彈應用鈽 - 239 為原料製成。而鈾 - 235 分裂在核電廠最常見。

重核原子經中子撞擊後，分裂成為兩個較輕的原子，同時釋放出數個中子，並且以伽馬射線的方式釋放光子。釋放出的中子再去撞擊其它的重核原子，從而形成連鎖反應而自發分裂。原子核分裂時除放出中子還會放出熱，核電廠用以發電的能量即來源於此。因此核分裂產物的結合能需大於反應物的的結合能。

核分裂會將化學元素變成另一種化學元素，因此核分裂也是核遷變的一種。所形成的二個原子質量會有些差異，以常見的可分裂物質同位素而言，形成二個原子的質量比約為 3:2。大部份的核分裂會形成二個原子，偶爾會有形成三個原子的核分裂，稱為三分裂變，大約每一千次會出現二至四次，其中形成的最小產物大小介於質子和氬原子核之間。

現代的核分裂多半是刻意產生，由中子撞擊引發的人造核反應，偶爾會有自發性的，因放射性衰變產生的核分裂，後者不需要中子的引發，特別會出現在一些質量數非常高的同位素，其產物的組成有相當的機率性甚至混沌性，和質子發射、α 衰變、集群衰變等單純由量子穿隧產生的分裂不同，後面這些分裂每次都會產生相同的產物。原子彈以及核電廠的能量來源都是核分裂。核燃料是指一物質當中子撞擊引發核分裂時也會釋放中子，因此可以產生連鎖反應，使核分裂持續進行。在核電廠中，其能量產生速率控制在一個較小的速率，而在原子彈中能量以非常快速不受控制的方式釋放。

由於每次核分裂釋放出的中子數量大於一個，因此若對鏈式反應不加以控制，同時發生的核分裂數目將在極短時間內以幾何級數形式增長。若聚集在一起的重核原子足夠多，將會瞬間釋放大量的能量。原子彈便應用了核分裂的這種特性。製成原子彈所使用的重核含量，需要在 90% 以上。

核能發電應用中所使用的核燃料，鈾 - 235 的含量通常很低，大約在 3% 到 5%，因此不會產生核爆。但核電廠仍需要對反應爐中的中子數量加以控制，以防止功率過高造成爐心熔毀的事故。通常會在反應爐的慢化劑中添加硼，並使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核分裂速度。從鎘以後的所有元素都能分裂。

核分裂時，大部分的分裂中子均是一分裂就立即釋出，稱為瞬發中子，少部分則在之後（一至數十秒）才釋出，稱為延遲中子。

## 簡介

### 機制

 核分裂可以在沒有中子撞擊的情形下出現，這種核分裂稱為自發分裂，是放射性衰變的一種，只出現在幾種較重的同位素中。不過大部份的核分裂都是一種有中子撞擊的核反應，反應物分裂為二個較小的原子核。核反應是依中子撞擊的機制所產生，不會依照自發分裂中相對較固定的指數衰減及半衰期特性所控制。

現今已經知道許多種類的核反應，核分裂和其他核反應最大的不同點是核分裂是由中子撞擊所產生，而產生的多個自由中子會撞擊其他核子，會啟動更多的核分裂，因此成為核連鎖反應（鏈反應的一種），有時可以控制一些條件來調整核連鎖反應的影響程度。

可以產生核連鎖反應的化學元素同位素稱為核燃料，也稱為可分裂物質。其中最重要的是 235U（鈾元素的同位素，原子量 235），是及 239Pu（鈽元素的同位素，原子量 239），這些核燃料分裂後大部份會形成原子量在 95 及 135 左右的元素（核分裂產物）。大部份核燃料的自發分裂非常緩慢，透過 α/β 衰變鏈，時間從的數千紀到數地質年代。在核子反應爐或是核武中，大部的核分裂是由中子的撞擊產生，而核分裂也會產生中子，引發更多的核分裂。

### 鏈式反應

許多重元素，像是鈾、釷、鈽，會有由放射性衰變產生的自發分裂，以及由中子引發的核反應。任何吸收中子可以發生核分裂的原子核稱為「可分裂物質」（fissionable），但可以吸收緩慢移動的熱中子發生核分裂的原子核才能稱為易分裂物質（fissile）。一些特別的可分裂物質及其同位素（像 233U, 235U 及 239Pu）可以維持鏈式反應，而且可以提取足夠數量以供使用，這類的物質稱為核燃料。

所有可分裂物質及易分裂物質都會有部份原子出現自發分裂，釋出一些自由中子。自由中子的半衰期約 15 分鐘，之後會衰變為質子及 β 粒子，不過在半衰期之前中子就已撞擊到其他原子（新衰變的中子速度約為光速的 7%，即使慢速的中子速度也是聲速的 8 倍。）。有些中子會撞擊原子，引發進一步的核分裂。若附近有夠多的核燃料，或者中子維持的夠久，發射出來的中子數量比離開核燃料的中子要多，此即為持續核連鎖反應。

可以維持持續核連鎖反應的組件稱為臨界組件，若組件都是由核燃料組成，則稱為臨界質量。臨界一詞代表控制燃料中自由中子微分方程的尖點，若質量小於臨界質量，中子的數量是由放射性衰變決定，若質量大於臨界質量，中子的數量則是由連鎖反應決定。臨界質量的實際質量會受幾何形狀及週圍材料的影響。

不是所有可分裂物質都可以產生核連鎖反應，像 238U 是鈾元素中豐度最高的同位素，這是可分裂物質，不過不是易分裂物質。若有能量超過 1 MeV 的中子撞擊 238U，會產生核分裂，不過其產生的中子能量大多數都無法再引發其他的分裂，因此這種同位素不會產生核連鎖反應。若用慢中子撞擊 238U，238U 會吸收中子（形成 239U），並且 β 衰變，形成 239Np，之後會再相同的程序衰變為 239Pu。這也是中子增殖反應爐製造 239Pu 的方法。

### 核子反應爐

臨界核子反應爐是最常見的核子反應爐。在臨界核子反應爐中，核燃料產生的中子會引發更多的核反應，因此維持可控制程度的能量。有些核子反應爐無法自行持續產生核反應，稱為次臨界核子反應爐。需利用核衰變或粒子加速器來引發核分裂。

臨界核子反應爐興建的原因有以下的三種，目的可能是因為需要核分裂中產生的能量或是中子，因此在工程上有不同的考量：

* 核能發電希望取得核分裂中產生的能量，可能是發電廠供電用，也可能是核子動力潛艇的電源。
* 研究用核子反應爐目的是取得中子及核放射性的元素，供科學、醫藥、工程或其他研究用途。
* 中子增殖反應爐目的是從高豐度的同位素中提煉核燃料，快中子增殖反應爐知名度較高，由自然界豐度高的 238U（不是核燃料）中提煉 239Pu。以往曾發展過熱中子增殖反應爐，用 232Th 提煉 233U（釷燃料循環），仍在繼續發展中。

在原理上，所有的核子反應爐都可以達到上述的三種目的，但在實務上，這三個的工程目的會互相衝突，大部份的核子反應爐只會考慮其中一個目的（以往有些試圖達到所有目的的核子反應爐，例如 Hanford N-reactor，後來已沒有使用）。核能發電是將核分裂產物動能轉換為熱能，再加熱工作流體驅動熱機，來產生機械能或是電能。工作流體一般是水，配合蒸汽渦輪發動機，不過有些設計也會用氦氣或液態金屬為工作流體。研究用核子反應爐製造中子，可以用在許多領域，而核分裂產生的熱會視為不可用的廢熱。中子增殖反應爐是特別的研究用核子反應爐，要處理的就是燃料本身，是 238U 和 235U 的混合物。

若要進一步的了解臨界核子反應爐的物理及操作方式，請參考核子反應爐物理，若要進一步的了解在社會、政治及環境的層面的觀點，請參考核子動力。

### 原子彈

原子彈是核武器的一種，是利用核分裂的能量來進行破壞的武器。原子彈是特殊設計的核子反應爐，要在原子彈因本身釋放能量而爆炸之前，儘快將大量的能量釋放出來。早期研究核分裂的一個目的就是為了發展原子彈。美國的曼哈頓計劃集合了早期研究核分裂鏈反應的許多科研成果，進行了三位一體核試，並在 1945 年 8 月在日本廣島及長崎投放了小男孩及胖子二顆原子彈
。

就算是第一次的原子彈，其爆炸威力也比等重的化學炸藥多了數千倍。例如，小男孩原子彈的重量約 4 噸，其中 60 公斤是核燃料，約 3.4 公尺長，其爆炸威力相當於 15000 噸的 TNT，摧毀廣島市大部份的建築。現代的核武器（包括氫彈等）比第一代等重的純核分裂武器破壞力又多了數百倍（參見核武器當量），因此現代的核飛彈彈頭只有小男孩核燃料重量的 1/8（例如 W88），TNT 當量為 475,000 噸，可摧毀比城市大十倍的區域。

原子彈和受控的核子反應爐其核分裂鏈反應的物理基礎是相同的，但在工程設計上有很大的不同，原子彈的目的是一次釋放其所有的能量，而核子反應爐會希望持續的釋放能量。若是核子反應爐過熱，產生爐心熔毀及蒸汽爆炸，因為核子反應爐濃縮鈾的濃度比原子彈低很多，因此不可能像原子彈爆炸一樣造成大型的破壞。

現行技術要從原子彈中提取有用的能量仍非常困難，原因在於燃料濃度差距過於巨大，現階段將核子武器的高濃度武器等級燃料（~95%）稀釋為民用等級（3~10%）並不符合經濟效益。對於直接利用核子武器本身獲取能量較為人所知的方式有二：

一、美軍冷戰時期大多數核子動力潛艦及核子動力航空母艦反應爐為提高燃料更換週期，因此使用高純度濃縮鈾作為反應爐燃料（A4W、S6G、S8G，97.3%），由於 1992 美國海軍關閉了朴次茅茲的濃縮鈾提煉工廠，近年燃料皆直接改用退役核子彈頭所使用的高濃縮鈾（A1B、S9G，93%）。

\*\* 此處應注意 \*\*

1. 不同國家所採用的反應爐設計及燃料濃度皆有差異，法國為之中特例，其全系列艦用反應爐皆使用 3~10% 低純度濃縮鈾。

2. 即使濃度已達武器等級，但由於臨界值量、臨界外型及燃料配方皆與核子武器的設計不同，亦缺乏誘爆機制，因此仍無法產生核子武器不受控分裂反應的效果。

二、火箭推進系統 Orion，計劃在太空船後面加上大量的保護及屏蔽，然後在太空船的後面引爆原子彈。

核武器在軍事戰略上的重要性也造成核分裂的技術有高度的政治敏感度。在工程觀點來看，現行的原子彈還算簡單。但核燃料難以取得是大部份國家無法製造原子彈的原因，只有少數的現代工業國家才有核燃料，而且有特別的計劃來製造核燃料（參照濃縮鈾及核燃料循環）。

## 歷史

核分裂是在 1938 年在威廉皇帝化學學會的建築物中發現的（現今的柏林自由大學內），當時放射性科學的研究以及描述原子內部的原子核物理學已進行了快五十年。歐內斯特・盧瑟福在 1911 年提出了原子模型（拉塞福模型），其中有體積很小、高密度且帶正電的核子，其中包含許多質子（當時還沒發現中子），周圍有許多在軌道上運動，帶有負電的電子。。尼爾斯・玻爾 1913 年在此為基礎，再加入電子的量子特性（波耳模型）。而亨利・貝克勒、瑪麗・居禮及皮埃爾・居禮的研究以及盧瑟福進一步的研究指出，雖然原子核的束縛力強，但雖然會有不同形式的核衰變（像 α 衰變會放出 α 粒子，也就是氦原子核，其中有二個中子和二個質子），之後嬗變為其他元素。

科學家當時已對核衰變進行一些研究。盧瑟福在 1917 年利用 α 粒子撞擊，將氮原子衰變為氧原子:

　
: $\mathrm {^{14}_{\ 7}N\ +_{\ 2}^{\ 4}He{\xrightarrow[{}]{}}\ _{\ 8}^{17}O\ +_{\ 1}^{\ 1}p} $

這是第一次觀測到的核反應，也就是設法讓一個粒子衰變，產生其他粒子。1932 年盧瑟福的同事歐內斯特・沃爾頓和約翰・考克饒夫完成了一個完全人工的核反應和核嬗變，利用人工加速的質子撞擊鋰 - 7，將其撞擊成二個 α 粒子，這當時稱為「分裂原子」，不過這個和後來重元素的核分裂不同。當時也在研究「結合原子」（即核融合）的可能性。第一個人工的核融合是馬克・歐力峰在 1932 年開始的，用二個加速的氘原子核（含有一個中子和一個質子）融合為一個氦原子核。

英國科學家詹姆斯・查德威克在 1932 年發現中子，之後恩里科・費米和他在羅馬的同事在 1934 年研究用中子撞擊原子序為 92 的鈾原子。費米認為他們的實驗產生了有 93 個質子及 94 個質子的元素，命名為 Ausonium 及 hesperium，不過有些科學家不認同費米下的結論。德國科學家伊達・諾達克在 1934 年提出質疑，認為產生的不是一個新的，原子序 93 的元素，而是「原子核被分為數個較大的碎片。。只是當時很少人支持諾達克的論點。

在費米發表後，奧托・哈恩、莉澤・邁特納及弗里茨・施特拉斯曼等人在柏林進行類似的實驗。邁特納是個奧地利猶太人，因為納粹 1938 年占領奧地利而失去了身份，邁特納逃到瑞典，但繼續和哈恩通信。當邁特納在 12 月 19 日收到哈恩的信，有一些化學的證據證實由中子撞擊鈾產生的原子是鋇 ，剛好她的姪子奧托・羅伯特・弗里施也在瑞典。哈恩認為是原子核的爆破，但他不知道有關此結果對應的物理基礎為何。鋇的原子量比鈾少 40%，而當時還沒有任何已知的衰變會讓質量有這麼大的變化。弗里施懷疑此結果，但邁特納相信哈恩在化學上的專業。邁特納和弗里施正確的詮釋了哈恩實驗的結果，鈾原子核被分為大約兩半。弗里施建議此過程可以稱為「核分裂」，借用生物學中一個細胞分為二個細胞的細胞分裂。

哈恩和施特拉斯曼在 1938 年 12 月 22 日提出了手稿給《自然科學》雜誌，說明他們用中子撞擊鈾，發現了鋇元素。同時他們也將實驗結果寄給在瑞典的邁特納，邁特納和弗里施正確的將此結果詮釋為核分裂的證據。弗里施在 1939 年 1 月 13 日確認此 aaa 實驗。因為證實了由中子撞擊鈾產生的鋇是核分裂的產物，
哈恩獲得了 1944 年的諾貝爾化學獎，原因是「發現重原子核的核分裂」（此獎項在 1945 年才給哈恩，因為諾貝爾委員會認為 1944 年化學獎的提名人都不符合諾貝爾的遺願，此時諾貝爾委員會可以將獎項留到第二年再頒發。）。

## 參見

## 參考資料

* DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 1 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993 [2012-01-03]. （原始內容 (PDF) 存檔於 2014-03-19）.
* DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF). U.S. Department of Energy. January 1993 [2012-01-03]. （原始內容 (PDF) 存檔於 2013-12-03）.