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前沿物理学

核反应与裂变

模拟裂变事件及其中子增殖：调节模型参数使增殖因子 keffk_{\mathrm{eff}} 分别低于、等于、高于 1，并用 Q=(minitial−mfinal)c2Q=(m_{\mathrm{initial}}-m_{\mathrm{final}})c^2 估算释放能量。

进阶

⚠ 真实裂变实验涉及电离辐射和中子源；必须在许可设施内配合屏蔽与剂量计进行——切勿在设施外接触放射性物质。

器材

  • 释放碎片与次级中子的 3D 裂变模型
  • “参数”滑块（控制中子增殖）
  • “噪声”与“物理参数”滑块
  • “运行时间”控件，用于演化链式过程

实验步骤

  1. 观察一次裂变

    触发事件，观察重核分裂成两块碎片并释放次级中子。电荷数与核子数守恒；典型的 235^{235}U 裂变中碎片携带约 200 MeV 动能，与 Q=Δm c2Q=\Delta m\,c^2 一致。

  2. 调节增殖因子

    在演化运行时扫描参数滑块。次临界（keff<1k_{\mathrm{eff}}<1）时中子群体消亡；keff=1k_{\mathrm{eff}}=1 时自持；大于 1 时指数增长——找出链式反应恰好自持的参数位置。

  3. 加入噪声并比较区域

    增大噪声滑块并在 keff=1k_{\mathrm{eff}}=1 附近重跑：统计涨落决定单条链能否存活。估算每次裂变能量（约 200 MeV =3.2×10−11=3.2\times10^{-11} J），计算 1 GW 反应堆每秒需要多少次裂变。

模拟

实验历史

奥托·哈恩与弗里茨·施特拉斯曼1938年12月在中子轰击铀的产物中观测到钡——除非原子核发生了分裂，否则这在化学上不可能。几周后莉泽·迈特纳与奥托·弗里施将其解释为核裂变并估算释放能量；弗里施于1939年初在实验上证实。 利奥·西拉德立刻看到了链式反应的可能，恩里科·费米的芝加哥一号堆于1942年12月2日实现首次自持链式反应。此后这一物理分支发展为动力堆与武器——同样的 keff>1k_{\mathrm{eff}}>1 机制支撑着两者，也催生核安全保障。

相关物理学家

玛丽·居里Albert Einstein

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