Самопроизвольное деление - Spontaneous fission

Спонтанное деление (SF) - это форма радиоактивного распада, которая обнаруживается только в очень тяжелых химических элементах . Ядерная энергия элементов достигает максимум при атомном массовом числе около 56; спонтанный распад на более мелкие ядра и несколько изолированных ядерных частиц становится возможным при больших атомных массовых числах.

История

К 1908 году было известно , что процесс альфа-распада состоит из выброса ядер гелия из распадающегося атома. Как и распад кластера , альфа-распад обычно не классифицируется как процесс деления.

Первым обнаруженным процессом ядерного деления было деление под действием нейтронов . Поскольку космические лучи производят некоторое количество нейтронов, было трудно различить индуцированные и спонтанные события. Космические лучи можно надежно экранировать толстым слоем камня или воды. Спонтанное деление было обнаружено в 1940 году советскими физиками Георгием Флёровым и Константином Петржаком в ходе наблюдений за ураном на станции Динамо Московского метрополитена на глубине 60 метров под землей.

Осуществимость

Элементаль

Спонтанное деление возможно в течение практического времени наблюдения только для атомных масс 232 атомных единиц массы или более. Это нуклиды, по меньшей мере, такие же тяжелые, как торий-232 , период полураспада которых несколько превышает возраст Вселенной . 232 Th, 235 U и 238 U являются первичными нуклидами и оставили свидетельства самопроизвольного деления в своих минералах.

Известными элементами, наиболее подверженными спонтанному делению, являются синтетические актиниды с высоким атомным номером и трансактиниды с атомным номером от 100 и выше.

Для тория-232, урана-235 и урана-238 спонтанное деление происходит редко, но в подавляющем большинстве случаев радиоактивного распада этих атомов происходит альфа-распад или бета-распад . Следовательно, спонтанное деление этих изотопов обычно незначительно, за исключением использования точных коэффициентов ветвления при определении радиоактивности образца этих элементов или в приложениях, которые очень чувствительны даже к незначительному количеству нейтронов деления (например, при разработке ядерного оружия). ).

Математический

Модель жидкой капли приблизительно предсказывает, что спонтанное деление может произойти за время, достаточно короткое, чтобы его можно было наблюдать с помощью существующих методов, когда

где Z - атомный номер, а A - массовое число (например, Z 2 / A = 36 для урана-235). Однако все известные нуклиды, которые подвергаются спонтанному делению в качестве их основной моды распада, не достигают этого значения 47, поскольку модель жидкой капли не очень точна для самых тяжелых известных ядер из-за сильных оболочечных эффектов.

Скорость самопроизвольного деления

Спонтанное деление полураспада различных нуклидов в зависимости от их Z 2 / A отношение. Нуклиды того же элемента отмечены красной линией. Зеленая линия показывает верхний предел периода полураспада. Данные взяты из французской Википедии .
Скорость самопроизвольного деления
Nu-
Clide
Период полураспада
(лет)
Проблема деления .
за распад (%)
Нейтронов на Спонтанный
период полураспада (лет)
Z 2/А
Деление Грамм-сек
235
U
7,04 · 10 8 2,0 · 10 −7 1,86 000,0003 3,5 · 10 17 36,0
238
U
4,47 · 10 9 5,4 · 10 −5 2,07 000,0136 8,4 · 10 15 35,6
239
Пу
24100 4,4 · 10 −10 2,16 000,022 5,5 · 10 15 37,0
240
Пу
06569 5,0 · 10 −6 2,21 920 1,16 · 10 11 36,8
250
См
08300  ~ 74 3,31 01,6 · 10 10 1,12 · 10 4 36,9
252
Cf
02,6468 3,09 3,73 02,3 · 10 12 85,7 38,1

На практике, 239
Пу
неизменно будет содержать определенное количество 240
Пу
из-за тенденции 239
Пу
поглотить дополнительный нейтрон во время производства. 240
Пу
высокая частота событий спонтанного деления делает его нежелательным загрязнителем. Оружейный плутоний содержит не более 7,0%.240
Пу
.

Редко используемая атомная бомба пушечного типа имеет критическое время установки около одной миллисекунды, и вероятность деления в течение этого временного интервала должна быть небольшой. Поэтому только235
U
подходящий. Почти все ядерные бомбы используют какой-либо метод взрыва .

Спонтанное деление может происходить намного быстрее, когда ядро ​​атома подвергается супердеформации .

Пуассоновский процесс

Самопроизвольное деление дает почти тот же результат, что и вынужденное деление ядер . Однако, как и другие формы радиоактивного распада, это происходит из-за квантового туннелирования , при этом атом не был поражен нейтроном или другой частицей, как при индуцированном ядерном делении. Самопроизвольное деление высвобождает нейтроны, как и все деления, поэтому при наличии критической массы спонтанное деление может инициировать самоподдерживающуюся цепную реакцию. Радиоизотопы, для которых нельзя пренебречь спонтанным делением, можно использовать в качестве источников нейтронов. Например, для этой цели можно использовать калифорний- 252 (период полураспада 2,645 года, доля ветвей SF около 3,1 % ). Выделяемые нейтроны можно использовать для проверки багажа авиакомпаний на предмет скрытых взрывчатых веществ, для измерения содержания влаги в почве на шоссе и при строительстве зданий или, например, для измерения влажности материалов, хранящихся в силосах.

Пока спонтанное деление приводит к незначительному уменьшению числа ядер, которые могут подвергнуться такому делению, этот процесс может быть приближен к процессу Пуассона . В этой ситуации для коротких интервалов времени вероятность спонтанного деления прямо пропорциональна продолжительности времени.

Спонтанное деление урана-238 и урана-235 действительно оставляет следы повреждений в кристаллической структуре урансодержащих минералов, когда осколки деления проходят сквозь них. Эти следы или треки деления являются основой метода радиометрического датирования, называемого датированием по трекам деления .

Смотрите также

Примечания

внешние ссылки