1938 年，德国科学家奥托・哈恩和弗里茨・斯特拉斯曼在实验室中进行铀元素轰击实验时，意外观察到一种奇特现象 —— 原本的铀原子核在中子撞击下，分裂成了两个质量相近的新原子核，同时伴随大量能量释放。这一发现打破了当时人们对原子核稳定性的固有认知，也揭开了核裂变研究的序幕。随后，莉泽・迈特纳和奥托・弗里施通过理论分析，首次明确提出 “核裂变” 这一概念，并用爱因斯坦的质能方程 E=mc² 解释了能量释放的来源，为后续核科学的发展奠定了重要基础。
核裂变的本质是重原子核在外界因素（通常是中子轰击）作用下，发生分裂并产生新原子核、中子以及能量的过程。以常见的铀 – 235 为例，其原子核内含有 92 个质子和 143 个中子，整体结构处于一种相对稳定但又蕴含巨大潜在能量的状态。当一个慢中子（能量较低的中子）闯入铀 – 235 原子核后，会打破原有的平衡，使原子核变得不稳定并迅速分裂。分裂后的产物通常是两个较轻的原子核，比如氪 – 92 和钡 – 141，同时还会释放出 2 – 3 个新的中子。这些新产生的中子又能继续轰击周围的铀 – 235 原子核，引发更多裂变反应，形成 “链式反应”，而链式反应正是核裂变能够持续释放能量的关键所在。
核裂变释放的能量规模远超传统化学反应，这一特性使其在能源领域具有重要应用价值，核电站便是核裂变和平利用的典型代表。在核电站的核心设备 —— 核反应堆中，通过控制棒（通常由吸收中子能力强的镉、硼等材料制成）调节中子数量，能够精准控制链式反应的速度，确保能量缓慢、稳定地释放。核反应堆产生的热量会将水加热至高温高压状态，形成的水蒸气推动汽轮机旋转，进而带动发电机发电，最终将核裂变产生的核能转化为人们日常生活中可使用的电能。以常见的压水堆核电站为例，其整个能量转化过程分为三个回路：一回路负责将核反应堆产生的热量传递给二回路，二回路中的水吸收热量后变成水蒸气推动汽轮机，三回路则通过冷却水将汽轮机排出的水蒸气冷凝成水，实现水资源的循环利用。这种多回路设计不仅能高效利用能量，还能有效防止放射性物质泄漏，保障核电站的安全运行。
除了能源应用，核裂变在医疗领域也发挥着重要作用。放射性同位素是核裂变的重要产物之一，比如钴 – 60、碘 – 131 等，这些同位素具有特定的放射性，能够被广泛用于疾病的诊断和治疗。在肿瘤治疗方面，钴 – 60 释放的 γ 射线具有强大的穿透能力，能够精准作用于肿瘤细胞，破坏其 DNA 结构，抑制肿瘤细胞的生长和繁殖，从而达到治疗癌症的目的，这种治疗方法被称为放射治疗，目前已成为治疗多种恶性肿瘤的重要手段之一。在疾病诊断领域，碘 – 131 常用于甲状腺疾病的检查，由于甲状腺具有摄取碘的特性，患者服用含有碘 – 131 的药物后，通过检测甲状腺区域的放射性分布，医生能够判断甲状腺的功能状态，帮助诊断甲亢、甲减、甲状腺癌等疾病。此外，核裂变产生的放射性同位素还可用于医学研究，为探索疾病的发病机制、开发新的治疗方法提供有力支持。
核裂变过程中产生的放射性废料是其应用过程中无法回避的问题。这些放射性废料含有多种半衰期长短不一的放射性核素，部分核素的半衰期甚至长达数万年乃至数百万年，若处理不当，可能会对环境和人类健康造成长期危害。为了妥善处理放射性废料，目前国际上通常采用 “多重屏障” 处理策略。首先，将放射性废料进行固化处理，比如将其与玻璃、陶瓷等材料混合，制成稳定性强的固体废料，减少放射性物质的泄漏风险；然后，将固化后的废料装入特制的金属容器中，这些容器具有良好的耐腐蚀和抗冲击性能，能够进一步阻隔放射性物质；最后，将装有废料的容器深埋于地下数百米的稳定地质结构中，如花岗岩层、盐岩层等，利用天然地质屏障实现长期隔离。此外，科学家们还在不断研究新的放射性废料处理技术，比如核废料嬗变技术，该技术通过利用加速器或反应堆产生的粒子轰击放射性核素，将长半衰期的放射性物质转化为短半衰期或无放射性的物质，从而降低核废料的长期危害，不过这一技术目前仍处于研究和实验阶段，尚未实现大规模实际应用。
人们对核裂变的探索和利用已经走过了近百年的历程，从最初实验室中的偶然发现，到如今成为影响人类能源结构和医疗发展的重要技术，核裂变始终在不断推动着人类科技的进步。在未来，如何更好地发挥核裂变的优势，同时降低其潜在风险，依然是科学家们需要持续探索的重要课题。当我们在享受核裂变带来的便利生活时，也应该思考如何与这种强大的能量和谐共处，让核裂变技术在更多领域为人类造福，这或许是对核裂变研究历程最好的延续，也是对未来科技发展的重要期许。
核裂变常见问答
- 核裂变和核聚变有什么区别？
核裂变是重原子核分裂成轻原子核的过程，而核聚变是轻原子核结合成重原子核的过程。两者在反应条件、能量释放效率和产物等方面存在明显差异，核裂变通常需要中子轰击引发，产物含有放射性物质；核聚变需要极高的温度和压力，产物相对清洁，目前核聚变技术仍处于研究阶段。
- 铀 – 235 在核裂变中为什么如此重要？
铀 – 235 是自然界中少数能够在慢中子轰击下发生裂变并维持链式反应的核素之一，其裂变截面（表示原子核被中子轰击发生裂变的概率）较大，容易实现可控的链式反应，因此成为核电站和核反应堆中常用的核燃料。
- 核裂变产生的放射性物质会对人体造成哪些危害？
核裂变产生的放射性物质会释放 α、β、γ 等射线，这些射线具有不同的穿透能力和电离能力。α 射线穿透能力弱，但电离能力强，进入人体后会对局部组织造成严重损伤；β 射线穿透能力较强，可能对皮肤和黏膜造成伤害；γ 射线穿透能力最强，能够穿透人体组织，对全身器官造成辐射损伤，长期暴露可能导致癌症、遗传变异等健康问题。
- 如何确保核电站在运行过程中的安全，防止核泄漏事故发生？
核电站通常采用多重安全防护措施，包括纵深防御体系。从核反应堆的设计来看，采用坚固的压力容器和安全壳，能够在发生事故时阻挡放射性物质泄漏；控制棒系统可以快速插入反应堆，终止链式反应；冷却系统能够确保在事故情况下及时带走反应堆的热量，防止堆芯熔化。此外，核电站还会定期进行安全检查和应急演练，提高应对突发事故的能力。
- 除了铀 – 235，还有哪些核素可以作为核裂变的燃料？
除了铀 – 235，钚 – 239 和铀 – 233 也是常用的核裂变燃料。钚 – 239 通常是由铀 – 238 在核反应堆中吸收中子后转化生成的，其裂变性能较好，可作为核电站的燃料；铀 – 233 则是由钍 – 232 吸收中子后经过一系列核反应生成的，钍资源在地球上的储量相对丰富，因此铀 – 233 作为核燃料具有一定的发展潜力。
免责声明：文章内容来自互联网，本站仅提供信息存储空间服务，真实性请自行鉴别，本站不承担任何责任，如有侵权等情况，请与本站联系删除。