核武器物理的基础知识：何谓临界质量

        铀-235每次裂变平均放出2.5个中子。但这些中子并不是每一个都能引起新的裂变。它们在铀块里的遭遇可能是各种各样的。不管怎样，如果我们要使核裂变能连锁式地进行下去，那么必须在核裂变所放出的中子当中，至少平均有一个能够再引起新的核裂变才行。用原子核物理的术语来说，就是要使中子的“增殖系数”大于1。那么，在实际情况下中子在铀块中究竟有那些遭遇？满足一些什么样的条件就可使中子的增殖系数大于1呢？
       我们先来具体分析一下在铀块中能使中子数目增加和减少的各种因素，以及这些因素的大小，然后在此基础上考察链式反应得以进行的条件。图2.16上的①②③④⑤对应于下面分析的五种情况：
中子在铀块里的遭遇
    ① 不论中子的速度如何，只要打中铀-235的核，都有相当大的可能引起裂变，而使中子数目增加。
    ② 如果中子能量大于1.1兆电子伏，当它打中铀-238后，也有可能引起核裂变而使中子数增加。但更可能的还是铀核非弹性散射掉，因而使中子的能量变到1.1兆电子伏以下。
    ③能量小于1.1兆电子伏的中子打中铀-238不能引起裂变，但铀-238可能吸收中子，最后变成钚。这个反应使中子数减少。
    ④ 由于在原子里核只占一个很小的空间，中子在铀块中穿来穿去不一定能打中铀核。如果铀块不大，则很大一部分中子在碰到铀核之前已经跑到铀块外面去了。这样铀块里能引起裂变的中子数也就减少。
    ⑤ 铀块里多少会含有一些杂质，有些杂质（例如硼）对中子吸收特别厉害，吸收后也不再放出中子。这样中子数也会减少。
      上面讲的五种遭遇，只有①②两种引起铀-235和铀-238核裂变才对核反应的链式进行有利。为了使中子增殖系数大于1，①②两项增加的中子必须要比③④⑤项减少的中子数多才行。
      各种能量的中子都能引起铀-235分裂，而且速度愈慢的中子，被铀-235吸收因而引起裂变的可能性也愈大。对于速度约为2200米/秒的慢中子（能量约1/40电子伏，称为“热中子”），铀-235吸收它而发生裂变的可能性约为发生辐射俘获可能性的5.4倍。对于铀-238，则只有吸收能量在1.1兆电子伏以上的中子时，才可能发生核裂变，而且这种可能性与非弹性散射相比要小得多。能量低于1.1兆电子伏的中子，不能引起铀-238的核裂变，而可能被铀-238散射或俘获。
       核裂变产生的中子的能量大小不等。
       裂变中子能量分布
       虽然能量在1.1兆电子伏以上的中子数不少，但是如上所说，快中子和铀-238相碰，因非弹性散射损失掉一部分能量的可能性比引起裂变的可能性要大得多。因此，只有很小一部分快中子能引起核裂变。快中子在与铀-238非弹性碰撞时能量降低很快，经几次碰撞能量就降到1.1兆电子伏以下，这时不可能再引起铀-238的裂变，而是被它吸收。中子动能在1.1兆电子伏以上，它不论碰到铀-235或铀-238都可能引起裂变，因此这时的中子数目增加，我们把这时增加的倍数叫做e 。中子很快地在碰撞过程中减小了动能，在碰撞了多次之后变成热中子。如果在此碰撞过程中，被铀-238或被减速剂吸收，就不能再产生新中子；如果未被吸收，则有可能引起裂变而产生新中子。设这个未被吸收的几率为q（q<1）。在热中子的情况下，设中子被铀吸收的几率为f，每一个被铀吸收的热中子平均能产生h个中子。如果开始有m个中子在铀快里，则经过一代裂变后，中子必然变成m×e×q×f×h个。中子增殖系数以l表示，则
                          l＝meqfh/m＝eqfh
        l大于1，才能使链式反应进行。l＝1时，链式反应刚刚能够维持，这是一个临界值。l＝1时铀块的质量称为临界质量，这时的铀块体积称为临界体积。因此可以明白，所谓临界质量，它是指裂变物质在特定条件下，能够实现自持链式反应所需的最少裂变物质的质量。与临界质量相对应的裂变物质的体积称为临界体积。显然这些都是核武器装料中所涉及的重要问题。它同裂变物质的种类、纯度、密度以及装料的几何形状和特殊的结构等因素有关。
       裂变物质有钍-233、铀-235、钚-239等几种，它们与中子碰撞产生裂变或发生吸收的几率各不相同，因此，裂变物质的种类影响l值。裂变物质的纯度影响上式的q值。裂变物质的密度大，也就是其中的原子核排得很密，中子在里面碰到核的几率大，可能跑出去的几率小。几何形状与表面积有关，表面积大，中子泄漏出去的就多。裂变物质最好是球形，因当其质量一定时其表面积最小。临界质量也与裂变物质的外包介质有关，因为后者会使外洩中子反射回裂变物质中，从而降低临界质量。
       如果铀块里杂质已经除净，铀块又非常大或者加反射层使跑出去的中子全被反射回来，这样④⑤两项的影响就能完全去掉。如果全部用纯净的铀-235，则②③两项的影响也没有，只有第①项的作用，使中子数目增加，则链式反应一定能够进行。原子弹基本上就是这样做的。但是天然铀中只含有0.7%的铀-235，而铀-235和铀-238的化学性质又完全相同，要想从天然铀中分离出铀-235来，是一件很困难和复杂的事情。