Spontaniczne rozszczepienie

Spontanicznego rozszczepienia jest formą rozpad charakterystycznej izotopów bardzo ciężkie, w którym rozdziela się ciężki jądro, bez doprowadzania energii zewnętrznej, na co najmniej dwie żyły zapalniczki.

Historyczny

Pierwszym odkrytym procesem rozszczepienia jądrowego były neutrony wywołane rozszczepieniem . Ta obserwacja została ogłoszona w grudniu 1938 roku przez Otto Hahna i Fritza Strassmanna . Teoretyczny opis rozszczepienia zaproponowali Niels Bohr i John Wheeler 6 miesięcy później, w czerwcu 1939 roku. W artykule dwaj autorzy przewidują możliwość samoistnego rozszczepienia w uranie 238 .

Ponieważ promienie kosmiczne wytwarzają kilka neutronów, trudno było odróżnić zdarzenia wywołane przez neutrony od spontanicznych. Gruba warstwa skały lub wody może skutecznie osłabić promienie kosmiczne. Spontaniczne rozszczepienie został zidentyfikowany jako taki w 1940 roku przez fizyków radziecki Gieorgij Florow i Konstantin Antonowitsch Petrschak (w) podczas obserwacji ich uranu w stacji Dinamo z moskiewskiego metra , znajduje się 60 m pod ziemią.

Wykazano, że radioaktywność klastra jest spontanicznym super-asymetrycznym rozszczepieniem.

Ogólny opis

Najlżejszymi naturalnymi nuklidami, które hipotetycznie ulegają rozpadowi w wyniku samorzutnego rozszczepienia, są niob 93 i molibden 94 (odpowiednio poz. 41 i 42). Jednak nigdy nie przeprowadzono żadnych eksperymentalnych obserwacji spontanicznego rozszczepienia tych jąder. W praktyce są uważane za stabilne izotopy. Teoretycznie jest to możliwe dla wszystkich jąder atomowych, których masa jest większa niż 100 u lub uma, to znaczy z grubsza cięższe od rutenu .
Jednak w praktyce samorzutne rozszczepienie obserwuje się tylko dla jąder atomowych o masie powyżej 230 u , czyli z toru . Te elementy najprawdopodobniej ulegają spontanicznej rozszczepienia są masywniejsze aktynowców , takie jak mendelew i Lorens , a także jako elementy trans aktynowców, takie jak Rutherfordium .

Matematycznie kryterium, które decyduje o tym, czy samoistne rozszczepienie następuje natychmiast, to:

{\ displaystyle {\ hbox {Z}} ^ {2} / {\ hbox {A}} \ geq 45}

gdzie Z jest liczbą atomową, a A jest liczbą masową (np. Z = 92, A = 235 dla ). ${\ displaystyle _ {92} ^ {235} U}$

Należy jednak zauważyć, że to oszacowanie pochodzi z obliczeń opartych wyłącznie na modelu kropli cieczy , to znaczy uwzględnia jedynie makroskopowe właściwości jądra. Uwzględnienie mikroskopowego wpływu na penetrację bariery pomaga wyjaśnić spontaniczne rozszczepienia obserwowane w jądrach, których stosunek Z 2 / A jest mniejszy niż 47. Z kolei pomiary eksperymentalne wykazały, że okres półtrwania jądra w porównaniu z rozszczepieniem samoistnym jest tym słabszy. im większy ma Z 2 / stosunek .

Jak sama nazwa wskazuje, spontaniczne rozszczepienie ma dokładnie taki sam proces rozpadu radioaktywnego jak rozszczepienie jądrowe, z tą różnicą , że zachodzi bez uderzenia w jądro atomowe neutronu lub innej cząstki . Spontaniczne rozszczepienie odrzuca neutrony , jak każde rozszczepienie, więc jeśli zostanie osiągnięta masa krytyczna , może spowodować reakcję łańcuchową . Dlatego też radioizotopy, których rozpad jądrowy w wyniku samorzutnego rozszczepienia nie jest bez znaczenia, mogą być wykorzystywane jako źródło emisji neutronów . W tym celu często stosuje się kaliforn 252 (okres półtrwania 2645 lat, współczynnik spontanicznego rozszczepienia 3,09%). Wytworzone w ten sposób neutrony można następnie wykorzystać w takich zastosowaniach, jak poszukiwanie materiałów wybuchowych podczas przeszukiwania bagażu na lotniskach, pomiar wilgotności gleby podczas budowy dróg lub na placach budowy, pomiar wilgotności materiałów przechowywanych w silosach.

Dopóki reakcje rozszczepienia prowadzą tylko do pomijalnego zmniejszenia liczby samoistnie rozszczepialnych jąder, jest to proces Poissona : w bardzo krótkich odstępach czasu prawdopodobieństwo samoistnego rozszczepienia jest proporcjonalne do czasu trwania tego odstępu.

Opis teoretyczny

Spontaniczne rozszczepienie opisano za pomocą efektu tunelowania przez barierę rozszczepienia. Dlatego penetracja bariery jest głównym czynnikiem określającym prawdopodobieństwo samoistnego rozszczepienia. Zatem okres półtrwania w odniesieniu do spontanicznego rozszczepienia wyraża się zależnością:

{\ displaystyle t_ {1/2} = {\ frac {\ ln {2}} {fP}}}

gdzie f oznacza częstotliwość oscylacji w trybie rozszczepienia dla stanu podstawowego w pierwszym odwiercie, a P oznacza przenikalność bariery dla stanu podstawowego. Przenikalność bariery zależy w dużej mierze od kształtu przegrody.

Jądra zmniejszają się przez samoistne rozszczepienie

Izotop	$Z 2 / W$	Okres półtrwania w stosunku do spontanicznego rozszczepienia
230 Th	35.2	≥ 1,5 × 10 17 a
231 Pa	35.8	≥ 1,1 × 10 16 a
232 Th	34.9	≥ 1 × 10 21 a
232 U	36.5	(8 ± 6) × 10 13 a
233 U	36.3	> 2,7 × 10 17 a
234 U	36.2	(1,5 ± 0,3) × 10 16 a
235 U	36,0	(9,8 ± 2,8) × 10 18 a
236 U	35.9	(2,48 ± 0,11) × 10 16 a
236 Pu	37.4	(23,4 ± 1,2) × 10 9 a
237 Np	36.9	≥ 1 × 10 18 a
238 U	35.6	(8,2 ± 0,1) × 10 15 a
238 Pu	37.1	(4,70 ± 0,08) × 10 10 a
239 Pu	37,0	(7,8 ± 1,8) × 10 15 a
240 Pu	36.8	(1,16 ± 0,02) × 10 11 a
240 cm	38.4	1,9 × 10 6 a
241 Pu	36.7	<6 × 10 16 a
241 Am	37.4	(1,0 ± 0,4) × 10 14 a
242 Pu	36.5	(6,78 ± 0,04) × 10 10 a
242 cm	38.1	(7,0 ± 0,2) × 10 6 a
243 Am	37.1	(2,0 ± 0,5) × 10 14 a
243 cm	37.9	(5,5 ± 0,9) × 10 11 a
244 Pu	36.2	(6,6 ± 0,2) × 10 10 a
244 Cm	37.8	(1,32 ± 0,02) × 10 7 a
245 cm	37.6	(1,4 ± 0,2) × 10 12 a
246 Cm	37.5	(1,81 ± 0,01) × 10 7 a
246 Por. Tamże	39,0	(2,0 ± 0,2) × 10 3 a
246 Fm	40.7	13,8 s
248 cm	37.2	(4,15 ± 0,03) × 10 6 a
248 Por. Tamże	38.7	3,16 × 10 6 a
248 Fm	40.3	10 rano
249 Bk	37.8	1,91 × 10 9 a
249 Por. Tamże	38.6	6,74 × 10 10 a
250 cm	37.8	(1,13 ± 0,05) × 10 4 a
250 Por	38.4	1,66 × 10 4 a
250 Fm	40	10 a
250 Nie	41.6	250 ± 50 µs
252 Por. Tamże	38.1	85,5 ± 0,3 a
252 Fm	39.7	115 a
252 Nie	41.3	8.6 s
253 Es	38.7	6,4 × 10 5 a
253 Rf	42.8	~ 3,6 s
254 Por	37.8	60,7 a
254 Es	38.6	> 2,5 × 10 7 a
254 Fm	39.4	228 d
254 Rf	42.6	500 ± 200 µs
255 Es	38.4	2,66 x 10 3 a
255 Fm	39.2	9,55 × 10 3 a
255 Rf	40.8	2,7 s
255 Db	43.2	1,6 s
256 Por	37.5	12,3 ± 1,2 min
256 Fm	39.1	2.86 godz
256 nr	40.6	1,83 min
256 Rf	42,25	7,6 ms
256 Db	43.1	2,6 s
257 Fm	38.9	131.1 a
257 Rf	42.1	27,1 s
257 Db	42.9	11,3 s
258 Fm	38.8	380 ± 60 µs
258 Nie	40.3	1,2 ms
258 Rf	41.9	13 ± 3 ms
259 Fm	39.6	1,5 ± 0,3 ms
259 miliardów	39.4	1,6 ± 0,4 godz
259 Rf	41.8	36.6 s
259 Sg	43.4	10 ms
260 Rf	41.6	21 ± 1 ms
260 Db	42.4	15,8 s
260 Sg	43.2	7,2 ms
261 Db	42.2	7,2 s
261 Bh	43.9	10 ms
262 Rf	41.3	47 ± 5 ms
262 Db	42.1	46.6 s
263 Sg	42.7	1,1 ± 0,3 s

W 1991 roku Cyriel Wagemans zidentyfikował 72 izotopy, które mogą ulec zmniejszeniu w wyniku samoistnego rozszczepienia. Przedstawiono je w tabeli obok (bez liczenia izomerów rozszczepienia ).

Szybkość samoistnego rozszczepienia

Szybkość samoistnego rozszczepienia:

Nuklid	Okres półtrwania ( a )	Prawdopodobieństwo rozszczepienia przez rozpad (%)	Liczba rozszczepień na (g • s)	Neutrony przez spontaniczne rozszczepienie	Neutrony według (g • s)	Moc cieplna rozpadów (W / g)	Moc cieplna rozszczepień (W / g)
232 Th	14,05 × 10 9	1,003 57 × 10 −6	4,07 x 10-5	2.0	8,14 x 10-5	2,65 x 10 −9	1,27 x 10 -15
235 U	7,038 × 10 8	2,0 × 10 −7	1,60 x 10-4	1.86	2,97 x 10-4	5,99 x 10 −8	5,00 × 10 −15
236 U	23,42 × 10 6	1,171 × 10 −7	2,80 x 10-3	2.0	5,60 x 10-3	1,75 x 10 −6	8,75 × 10-14
238 U	4468 8 × 10 9	5,4 x 10-5	6,71 × 10-3	2.07	1,39 x 10 −2	8,51 × 10 −9	2,10 × 10-13
238 Pu	87,75	1,791 × 10 −7	1,134 × 10 3	2.0	2,27 × 10 3	0,567	3,54 x 10 −8
239 Pu	2,411 × 10 4	4,4 x 10 −10	1,01 × 10 −2	2.16	2,18 x 10 −2	1,93 x 10-3	3,15 x 10 −13
240 Pu	6,56 × 10 3	5,0 × 10 −6	4,2 × 10 2	2.21	9,28 × 10 2	6,96 x 10-3	1,31 x 10 −8
244 Pu	80,8 × 10 6	0.12	8,05 × 10 2	2.0	1,61 × 10 3	5,01 × 10 −7	2,51 x 10 −8
250 cm	9 000	80,0	4,7 × 10 9	3.3	1,55 × 10 10	4,87 x 10-3	0,147
252 Por. Tamże	2,645	3.09	6,13 × 10 11	3.73	2,3 × 10 12	19,76	19.15

W praktyce pluton 239 zawsze zawiera pewną ilość plutonu 240 z powodu absorpcji neutronów w reaktorach; jednakże wysoki wskaźnik samorzutnego rozszczepienia plutonu 240 czyni go niepożądanym zanieczyszczeniem plutonu klasy wojskowej. Ten ostatni jest zatem otrzymywany w specjalnych reaktorach, umożliwiających utrzymanie ilości plutonu 240 poniżej 7%.

Moc cieplna wynikająca ze spontanicznych rozszczepień jest znikoma w porównaniu z mocą wynikającą z rozpadu alfa, z wyjątkiem najcięższych jąder.

W przypadku tak zwanych bomb atomowych typu A masa krytyczna musi zostać uzyskana w czasie krótszym niż milisekunda, w którym to czasie występowanie rozszczepienia musi być niskie. Dlatego jedynym materiałem rozszczepialnym, który można wykorzystać w tych bombach, jest uran 235.

Aplikacje

Odrzut jąder spowodowany spontanicznym rozszczepieniem powoduje defekty kryształu, w którym znajduje się pęknięty radionuklid. Te wady kryształów, zwane śladami rozszczepienia , utrzymują się przy braku znacznego ocieplenia.

Pod działaniem kwasu ślady rozszczepienia obecne na powierzchni wycinka próbki mogą zostać wywołane (podobnie jak wywołanie klisz fotograficznych ) i tym samym stać się widoczne pod mikroskopem. Zliczanie śladów rozszczepienia uranu 238 jest podstawą bezwzględnej metody datowania zwanej datowaniem śladów rozszczepienia . Liczba tych plutonu 244 , wymarłej radioaktywności , pozwala na względne datowanie bardzo starych próbek (kilka miliardów lat).

Uwagi i odniesienia

(fr) Ten artykuł jest częściowo lub w całości zaczerpnięty z artykułu Wikipedii w języku angielskim zatytułowanego „ Spontaneous fission ” ( patrz lista autorów ) .

Uwagi

Okres półtrwania odnoszący się do samoistnego rozszczepienia uzyskuje się za pomocą obliczeń, w których oznacza stałą radioaktywną właściwą dla samoistnego rozszczepienia rozpatrywanego nuklidu. Przy nuklidu może rozkładać się według kilku trybach radioaktywności, jego prawdziwe półtrwania jest gdzie oznacza sumę stałych radioaktywne specyficzne dla każdego trybu. ${\ Displaystyle \, T _ {\ mathrm {FS}} = {\ Frac {\ ln 2} {\ lambda _ {\ mathrm {FS}}}}}$ ${\ Displaystyle \ lambda _ {\ mathrm {FS}}}$ ${\ Displaystyle \, T = {\ Frac {\ ln 2} {\ lambda}}}$ $\ lambda$
Moc cieplną rozszczepień przyjmuje się jako równą 195 MeV dla wszystkich izotopów.

Bibliografia

(w) Niels Bohr i John Archibald Wheeler , „ The Mechanism of Nuclear Fission ” , Physical Review , vol. 56,1 st wrzesień 1939, s. 426 ( DOI 10.1103 / PhysRev.56.426 ).
(en) Konstantin Petrzhak i Georgi Fliorov , " Spontaniczne rozszczepienie uranu " , J. Phys. ZSRR , t. 3,1940, s. 275.
(w) G. Scharff-Goldhaber i Klaiber GS, „ Spontaniczna emisja neutronów z uranu ” , Przegląd fizyczny , tom. 70, bez kości 3-4,1 st sierpień 1946, s. 229–229 ( DOI 10.1103 / PhysRev.70.229.2 , Bibcode 1946PhRv ... 70..229S ).
(w) Igor Sutyagin, „ Rola broni jądrowej i jej potencjalna przyszła misja ” na nato.int (dostęp 15 października 2016 ) .
(ru) Konstantin Petrschak, „ Популярная библиотека химических элементов ” , na stronie nt.ru ,27 września 2003(dostęp 15 października 2016 ) .
(en) Dorin N. Poenaru i wsp. , „ Spontaniczna emisja ciężkich klastrów ” , Journal of Physics G: Nuclear Physics , vol. 10,1984, s. L183-L189 ( DOI 10.1088 / 0305-4616 / 10/8/004 , Bibcode 1984JPhG ... 10L.183P ).
(w) Kenneth S. Krane , Introduction to Nuclear Physics , John Wiley & Sons ,1988, 864 s. ( ISBN 978-0-471-80553-3 ) , str. 483-484.
Wagemans 1991 , s. 36.
Wagemans 1991 , s. 37-38.
J. Kenneth Shultis i Richard E. Faw, Fundamentals of Nuclear Science and Engineering , 2002, Marcel Dekker, str. 137 , tabela 6.2 ( ISBN 0-8247-0834-2 ) .
(w) RL Fleischer , PB Price i RM Walker , Nuclear Tracks in Solids: Principles and Applications , University of California Press, Berkeley,1975, 605 str. ( ISBN 978-0-520-02665-0 , czytaj online ).

Zobacz też

Bibliografia

(en) Cyriel Wagemans, »Spontaneous fission« , w: Cyriel Wagemans, The Nuclear Fission Process , CRC Press ,1991( ISBN 9780849354342 , czytaj online ).
(en) Robert Vandenbosch i John Robert Huizenga, „Spontaneous fission” , w: Robert Vandenbosch and John Robert Huizenga, Nuclear Fission , Academic Press ,1973( ISBN 9780127108506 , czytaj online ).