核裂变与核聚变

核裂变和核聚变通过将核子重新排列成结合更紧密的结构，即裂变重核或聚变轻核，从而释放大量能量。

Definition

核裂变是重核分裂成较轻碎片的过程，通常伴随着中子和能量的释放；而核聚变是轻核结合成较重核并释放能量的过程；两者都将核结合能的差异转化为可用能量。

Scope

本主题涵盖了铀和钚等重核裂变为较轻碎片并释放中子和能量的过程，以及氢同位素等轻核聚变为较重核的过程。它涉及裂变的液滴模型、链式反应和临界性、聚变必须克服的库仑势垒，以及核能受控和爆炸性释放的条件。

Core questions

• 重核如何分裂，释放的能量和中子数量如何确定？
• 维持受控链式反应需要哪些条件？
• 轻核如何克服相互的静电斥力而发生聚变？
• 为什么聚变能驱动恒星，但在地球上却难以实现？

Key concepts

• 裂变碎片和中子发射
• 链式反应和临界性
• 裂变势垒
• 聚变中的库仑势垒
• 质子-质子链和碳氮氧循环
• 能量释放和结合能曲线

Key theories

裂变液滴理论

玻尔和惠勒将裂变建模为带电液滴的变形和分裂，解释了表面张力和库仑斥力之间竞争如何设定裂变势垒。

恒星聚变循环

贝特确定了质子-质子链和碳氮氧循环是驱动恒星的聚变反应，将氢转化为氦并释放能量。

Clinical relevance

裂变驱动核反应堆和核武器，并生产医用和工业用同位素；而聚变驱动太阳和恒星，并被磁约束和惯性约束实验视为潜在的大规模清洁能源。

History

核裂变于1938年由哈恩（Hahn）和斯特拉斯曼（Strassmann）通过化学方法发现，并于1939年由迈特纳（Meitner）和弗里希（Frisch）进行了解释，玻尔（Bohr）和惠勒（Wheeler）同年提供了理论机制，迅速导致了反应堆和武器的出现。与此同时，贝特（Bethe）于1939年解释了聚变驱动恒星的原理，此后，受控陆地聚变的研究一直是一个重大的科学和工程挑战。

Key figures

• Lise Meitner
• Otto Frisch
• Niels Bohr
• Hans Bethe

Seminal works

• meitner1939
• bohrwheeler1939
• bethe1939

Frequently asked questions

什么是链式反应？

在裂变中，每个分裂的原子核都会释放中子，这些中子可以引发进一步的裂变。如果平均而言至少有一个释放的中子引发另一次裂变，则该反应会作为链式反应持续下去，这是反应堆和武器的基础。

为什么聚变比裂变更难实现？

聚变需要将带正电的原子核足够接近以发生聚变，这需要非常高的温度和压力来克服它们的静电斥力。相比之下，裂变可以通过慢中子引发，没有这样的势垒。