“裂變”教學設計

　　（教師講）從原則性上考慮，根據愛因斯坦的質能方程，在核反應過程中若有質量虧損，將伴隨有能量的釋放。那么什么樣的核反應過程有質量虧損呢？我們知道，核反應過程中，核子數（即質量數）是守恒的，如果核反應過程中有質量虧損，則“反應物”核子的平均質量一定大于“生成物”核子的平均質量。統觀各種元素原子核，其核子的平均質量（原子核的質量除以核子數），具有如圖1所示規律（動畫顯示），隨著原子序數的增大，核子平均質量的變化不是單調的，56號元素鐵的原子核中核子的平均質量最小。顯然按這樣兩種方向進行的核反應，均有質量虧損：一種是原子序數較大的重核分裂成原子序數較小的中等質量核；一種是由原子序數很小的輕核結合成原子序數大些的核。（動畫顯示）若將圖1中的重核a分裂成原子序數小些的核b、c，該反應中有質量虧損，可釋放出能量；若實現將輕核d、e聚合成原子序數大些核f的核反應，該反應中有質量虧損，可釋放出能量。

　　這節課，我們先來了解前一種核能釋放途徑。這條原子能應用途徑的開拓者是德國化學家哈恩，他和他的助手于1939年發現了鈾核的裂變。

　　2.介紹鈾核的裂變及其發現過程

　　（教師講）隨著中子的發現，轟開原子核有了理想的“炮彈”，但是中子不能由天然放射性物質自發產生，只能通過原子核人工轉變而獲得，為了能得到更多的中子，物理學家做了無數個實驗，轟擊所有當時已知的各種元素的原子核，諸多科學家通過曠日持久地艱難求索而發現，從氟到92號元素鈾都可實現人工轉變，通過原子核人工轉變可以生成各種人工放射性元素，對許多元素用慢中子比用快中了更為有效……最終導致了震驚世界的原子核裂變。

　　1937年，約里奧·居里夫婦在用粒子做“炮彈”轟擊鈾核的實驗中，產生了半衰期為3.5h的放射性元素，它居然是57號元素鑭，粒子轟擊鈾怎么會產生一個在周期表上離鈾35位的元素呢？約里奧·居里夫婦與核裂變相見不相識，第三次錯失重大發現。同一時代的德國化學家哈恩也不相信小居里夫婦的實驗結果，他與奧地利女物理學家邁特納合作，嘗試用中子轟擊鈾核來得到一個原子序數比鈾更大的新元素，他們用盡各種辦法未果。到了災難深重的1938年，身為猶太人的邁特納從德國逃亡到斯德哥爾摩，而哈恩和他的同事們在柏林郊區一個僻靜的實驗室里繼續不懈地用中子轟擊鈾，當采用慢中子轟擊鈾核時，事情有了重大轉機：反應不僅迅速激烈，釋放出很高的能量，而且出現了異乎尋常的情況──鈾核被擊中后，竟分裂出原子序數小得多的鋇!本來想揭示居里實驗中的錯誤，反而得到了相似的結果。哈恩把實驗結果寄給了治學嚴謹的長期合作者邁特納，邁特納堅信實驗的結果，她決意要對比做出科學的解釋。在圣誕節前夕的長途滑雪越野途中，玻爾曾經提出的原子液滴模型躍入她的腦際，她心中顯現出一幅圖像：往原子核里擠進一個中子，使這個核產生振蕩而變形，電斥力把原子核的兩端推開，形成兩個較小的核，原子核就像一滴水滴，被拉長了而且被一分為二。兩個比原來小的原子核中的一個可能是鋇或鑭。1939年1月，借助于生物學中細胞分裂的概念，邁特納將哈恩實驗中的核變化稱做核裂變，邁特納根據液滴模型算出，被電斥力推開的“裂變碎片”所帶的能量約是，她又將愛因斯坦的質能方程。應用于哈恩實驗中得到的數據──鈾核與碎片之間的質量差約為一個質子質量的，乘以，得到大約，兩個結果一致!裂變假說得到了堅實的證據。