Spontan fisjon - Spontaneous fission

Spontan fisjon (SF) er en form for radioaktivt forfall som bare finnes i svært tunge kjemiske grunnstoffer . Den kjernefysiske bindingsenergien av elementene når sitt maksimum ved en atommasse antall av ca. 56; spontan nedbrytning til mindre kjerner og noen få isolerte kjernepartikler blir mulig ved større atommasse.

Historie

I 1908 var prosessen med alfa -forfall kjent for å bestå av utstøting av heliumkjerner fra det forfallne atomet ;. Som med klyngen forfall , er alfa forfall vanligvis ikke kategorisert som en fisjon prosess.

Den første kjernefysjonsprosessen som ble oppdaget var fisjon indusert av nøytroner . Fordi kosmiske stråler produserer noen nøytroner, var det vanskelig å skille mellom induserte og spontane hendelser. Kosmiske stråler kan beskyttes pålitelig av et tykt lag med stein eller vann. Spontan fisjon ble identifisert i 1940 av sovjetiske fysikere Georgy Flyorov og Konstantin Petrzhak ved deres observasjoner av uran i Moskva Metro Dinamo stasjon, 60 meter (200 fot) under jorden.

Gjennomførbarhet

Elementær

Spontan fisjon er mulig over praktiske observasjonstider bare for atommasser på 232 atommassenheter eller mer. Dette er minst like tunge nuklider som thorium-232 -som har en halveringstid noe lengre enn universets alder . 232 Th, 235 U og 238 U er urnuklider og har etterlatt seg bevis for spontan fisjon i mineralene.

De kjente elementene som er mest utsatt for spontan fisjon er de syntetiske aktinidene med høyt atomnummer og transaktinider med atomnummer fra 100 og fremover.

For naturlig forekommende thorium-232, uran-235 og uran-238 forekommer spontan fisjon sjelden, men i det store flertallet av det radioaktive forfallet av disse atomene skjer alfa-forfall eller beta-forfall i stedet. Derfor er spontan fisjon av disse isotopene vanligvis ubetydelige, bortsett fra ved bruk av de nøyaktige forgreningsforholdene når man finner radioaktiviteten til en prøve av disse elementene, eller i applikasjoner som er veldig følsomme for enda små antall fisjonenøytroner (for eksempel atomvåpendesign ).

Matematisk

Den flytende dråpe Modellen forutsier ca. at spontan fisjon kan forekomme i en tid tilstrekkelig kort til å bli observert av foreliggende fremgangsmåter når

hvor Z er atomnummeret og A er massetallet (f.eks. Z 2 / A = 36 for uran-235). Alle kjente nuklider som gjennomgår spontan fisjon som hovedforfallsmodus når imidlertid ikke denne verdien på 47, ettersom væskedråpemodellen ikke er veldig nøyaktig for de tyngste kjente kjernene på grunn av sterke skalleffekter.

Spontane fisjoner

Spontan fisjonhalveringstid for forskjellige nuklider avhengig av deres Z 2 / A- forhold. Nuklider av det samme elementet er knyttet til en rød linje. Den grønne linjen viser den øvre grensen for halveringstid. Data hentet fra fransk Wikipedia .
Spontane fisjoner
nu-
Clide
Halveringstid
(år)
Fisjon prob.
per forfall (%)
Nøytroner pr Spontan
halveringstid (år)
Z 2/EN
Fisjon Gram-sek
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
Pu
24100 4.4 · 10 −10 2.16 000,022 5,5 · 10 15 37,0
240
Pu
06569 5,0 · 10 −6 2.21 920 1.16 · 10 11 36.8
250
Cm
08300  ~ 74 3.31 01,6 · 10 10 1.12 · 10 4 36,9
252
Jfr
02.6468 3.09 3,73 02,3 · 10 12 85,7 38.1

I praksis, 239
Pu
vil alltid inneholde en viss mengde 240
Pu
på grunn av tendensen til 239
Pu
å absorbere et ekstra nøytron under produksjonen. 240
Pu
Den høye frekvensen av spontane fisjonhendelser gjør det til en uønsket forurensning. Våpenplutonium inneholder ikke mer enn 7,0%240
Pu
.

Den sjelden brukte atombomben av pistoltype har en kritisk innsettingstid på omtrent ett millisekund, og sannsynligheten for en fisjon i løpet av dette tidsintervallet bør være liten. Derfor bare235
U
er egnet. Nesten alle atombomber bruker en slags implosjonsmetode .

Spontan fisjon kan oppstå mye raskere når atomkjernen gjennomgår superdeformasjon .

Poisson -prosess

Spontan fisjon gir omtrent det samme resultatet som indusert atomfisjon . Imidlertid, som andre former for radioaktivt forfall, skjer det på grunn av kvantetunnel , uten at atomet har blitt rammet av et nøytron eller andre partikler som i indusert atomfisjon. Spontane fisjoner frigjør nøytroner som alle fisjoner gjør, så hvis en kritisk masse er tilstede, kan en spontan fisjon starte en selvbærende kjedereaksjon. Radioisotoper som spontan fisjon ikke er ubetydelig for, kan brukes som nøytronkilder. For eksempel kan californium -252 (halveringstid 2,645 år, SF -grenforhold ca 3,1 prosent ) brukes til dette formålet. Nøytronene som frigjøres, kan brukes til å inspisere flybagasjen for skjulte eksplosiver, for å måle fuktighetsinnholdet i jord på motorveier og bygningskonstruksjoner, eller for å måle fuktigheten i materialer som er lagret i siloer, for eksempel.

Så lenge den spontane fisjonen gir en ubetydelig reduksjon av antall kjerner som kan gjennomgå en slik fisjon, kan denne prosessen tilnærmes tilnærmet som en Poisson -prosess . I denne situasjonen er sannsynligheten for en spontan fisjon i korte tidsintervaller direkte proporsjonal med lengden på tiden.

Den spontane fisjonen av uran-238 og uran-235 etterlater spor av skader i krystallstrukturen til uranholdige mineraler når fisjonfragmentene rekyler gjennom dem. Disse stiene, eller spaltningssporene , er grunnlaget for den radiometriske dateringsmetoden som kalles fisjon track dating .

Se også

Merknader

Eksterne linker