Spontaani fissio

Spontaani fissio on muoto radioaktiivisen hajoamisen ominaisuus isotooppien erittäin raskas, jossa raskaan ytimen halkeaa, syöttämättä ulkopuolista energiaa, vähintään kaksi ydintä kevyempi.

Historiallinen

Ensimmäinen prosessi ydinfission on löydetty indusoitiin fissio neutroneja . Otto Hahn ja Fritz Strassmann ilmoittivat tästä havainnosta joulukuussa 1938 . Teoreettisen kuvauksen fissiosta ovat ehdottaneet Niels Bohr ja John Wheeler kuusi kuukautta myöhemmin, kesäkuussa 1939. Tässä artikkelissa kaksi kirjoittajaa ennustavat spontaanin halkeamisen uraanissa 238 .

Koska kosmiset säteet tuottavat muutaman neutronin, oli vaikea erottaa neutronien aiheuttamat tapahtumat spontaaneista. Kosmisia säteitä voidaan vaimentaa tehokkaasti paksulla kivi- tai vesikerroksella. Spontaani fissio on todettu sellaisiksi 1940 fyysikot Neuvostoliiton Georgy Flyorov ja Konstantin Antonowitsch Petrschak (in) aikana havainnot uraanin asemalla Dinamo ja Moscow Metro , joka sijaitsee 60 m maan alla.

Klusteriradioaktiivisuuden on osoitettu olevan spontaania superasymmetristä fissiota.

Yleinen kuvaus

Kevyimmät luonnolliset nuklidit, jotka hypoteettisesti altistuvat hajoamiselle spontaanin hajoamisen kautta, ovat niobium 93 ja molybdeeni 94 (kohdat 41 ja 42). Näiden ytimien spontaanista fissiosta ei kuitenkaan ole koskaan tehty kokeellisia havaintoja. Käytännössä niitä pidetään stabiilina isotooppina. Teoriassa se on mahdollista kaikille atomituumille, joiden massa on suurempi kuin 100 u tai uma, toisin sanoen suunnilleen raskaampi kuin rutenium .
Käytännössä spontaani fissio havaitaan kuitenkin vain atomiytimille, joiden massa on suurempi kuin 230 u , ts. Toriumista . Elementit todennäköisesti läpikäyvän spontaanin fission ovat enemmän massiivinen aktinidien , kuten mendelevium ja lawrencium , sekä trans-aktinidielementit kuten rutherfordium .

Matemaattisesti kriteeri, joka määrittää, tapahtuuko spontaani fissio välittömästi, on:

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

missä Z on atomiluku ja A on massaluku (esim. Z = 92, A = 235 ). ${\ displaystyle _ {92} ^ {235} U}$

Huomaa kuitenkin, että tämä arvio tulee laskelmasta, joka perustuu vain nestepisaramalliin , toisin sanoen siinä otetaan huomioon vain ytimen makroskooppiset ominaisuudet. Mikroskooppisten vaikutusten huomioon ottaminen esteen tunkeutumiselle auttaa selittämään spontaaneja fissioita, joita havaitaan ytimissä, joiden Z 2 / A- suhde on alle 47. Sen sijaan kokeelliset mittaukset ovat osoittaneet, että ytimen puoliintumisaika spontaaniin fissioon verrattuna on sitä heikompi sitä suurempi sen Z 2 / A- suhde .

Kuten nimestäkin voi päätellä, spontaanilla fissiolla on täsmälleen sama radioaktiivinen hajoamisprosessi kuin ydinfissiolla, paitsi että se tapahtuu ilman, että neutroni tai muu hiukkanen iskeytyy atomin ytimeen . Spontaani fissio hylkää neutronit , kuten kaikki fissiot, joten jos kriittinen massa saavutetaan, se voi aiheuttaa ketjureaktion . Siksi radioisotooppeja, joiden spontaanin fissioinnin seurauksena tapahtuva ydin hajoaminen ei ole vähäistä, voidaan käyttää neutronipäästöjen lähteenä . Kalifornium 252 (puoli-elämän 2645vuosi, spontaani fission suhde 3,09%) on usein käytetty tähän tarkoitukseen. Näin tuotettuja neutroneja voidaan sitten käyttää sovelluksissa, kuten räjähteiden etsinnässä matkatavaroiden etsinnän yhteydessä lentokentillä, maaperän kosteuden mittaamiseen tienrakennuksen aikana tai rakennustyömailla, siiloon varastoitujen materiaalien kosteuden mittaamiseen.

Niin kauan kuin fissioreaktiot johtavat vain spontaanisti fissioituvien ytimien lukumäärän vähäiseen vähenemiseen, tämä on Poisson-prosessi : hyvin lyhyiden aikavälien aikana spontaanin fissiotodennäköisyys on verrannollinen intervallin kestoon.

Teoreettinen kuvaus

Spontaani fissio kuvataan käyttämällä tunnelointivaikutusta fissioesteen yli. Esteen tunkeutuminen on siksi tärkein tekijä spontaanin fissioiden todennäköisyyden määrittämisessä. Siten puoliintumisaika suhteessa spontaaniin fissioon ilmaistaan suhteella:

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

jossa f tarkoittaa värähtelytaajuutta halkeamismoodissa perustilan ensimmäisessä kaivossa ja P edustaa esteen tunkeutuvuutta perustilassa. Esteen läpäisykyky riippuu suuresti esteen muodosta.

Ytimet vähenevät spontaanin fissioinnin avulla

Isotooppi	$Z 2 / AT$	Puoliintumisaika suhteessa spontaaniin fissioon
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 Vrt	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 Vrt	38.7	3,16 × 10 6 a
248 Fm	40.3	Klo 10
249 Bk	37.8	1,91 × 10 9 a
249 Vrt	38.6	6,74 × 10 10 a
250 cm	37.8	(1,13 ± 0,05) × 10 4 a
250 vrt	38.4	1,66 × 10 4 a
250 Fm	40	10 a
250 Ei	41.6	250 ± 50 µs
252 Vrt	38.1	85,5 ± 0,3 a
252 Fm	39.7	115 a
252 Ei	41.3	8.6 s
253 Es	38.7	6,4 × 10 5 a
253 Rf	42,8	~ 3.6 s
254 Vrt	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 × 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 Vrt	37.5	12,3 ± 1,2 min
256 Fm	39.1	2,86 tuntia
256 Ei	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 Ei	40.3	1,2 ms
258 Rf	41,9	13 ± 3 ms
259 Fm	39.6	1,5 ± 0,3 ms
259 miljardia	39.4	1,6 ± 0,4 h
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

Vuonna 1991 Cyriel Wagemans tunnisti 72 isotooppia, jotka voivat vähentää spontaanin fissioinnin avulla. Ne on esitetty vastakkaisessa taulukossa (laskematta fissioisomeerejä ).

Spontaani fissio

Spontaani fissio:

Nuklidi	Puoliintumisaika ( a )	Todennäköisyys ydinfission mukaan hajoaminen (%)	Lukumäärä fissio kohden (g • S)	Neutronit spontaanilla fissiolla	Neutronit (g • s)	Terminen teho on hajoaa (W / g)	Terminen teho on fissioita (W / g)
232 Th	14.05 × 10 9	1,003 57 × 10 −6	4,07 × 10 −5	2.0	8,14 × 10 −5	2,65 × 10 −9	1,27 × 10 −15
235 U	7.038 × 10 8	2,0 × 10 −7	1,60 × 10 −4	1.86	2,97 × 10 −4	5,99 × 10 −8	5,00 × 10 −15
236 U	23,42 × 10 6	1,171 × 10 −7	2,80 × 10 −3	2.0	5,60 × 10 −3	1,75 × 10-6	8,75 × 10 −14
238 U	4468 8 × 10 9	5,4 × 10 −5	6,71 × 10 −3	2.07	1,39 × 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 × 10 −8
239 Pu	2,411 × 10 4	4,4 × 10 −10	1,01 × 10 −2	2.16	2,18 × 10 −2	1,93 × 10 −3	3,15 × 10 −13
240 Pu	6,56 × 10 3	5,0 × 10-6	4,2 × 10 2	2.21	9,28 × 10 2	6,96 × 10-3	1,31 × 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 × 10 −8
250 cm	9000	80,0	4,7 × 10 9	3.3	1,55 × 10 10	4,87 × 10 −3	0,147
252 Vrt	2,645	3.09	6,13 × 10 11	3.73	2,3 × 10 12	19.76	19.15

Käytännössä plutonium 239 sisältää aina tietyn määrän plutoniumia 240 johtuen neutronien absorptiosta reaktoreissa; plutonium 240: n spontaanin fissioiden korkea nopeus tekee siitä kuitenkin ei-toivotun epäpuhtauden armeijaluokan plutoniumissa. Viimeksi mainittu saadaan siis erityisissä reaktoreissa, mikä mahdollistaa alle 7%: n plutonium 240 -määrän pitämisen.

Spontaaneista fissioista johtuva lämpöteho on merkityksetön verrattuna alfa-hajoamiseen, lukuun ottamatta raskaimpia ytimiä.

Niin sanottujen A-pommien kohdalla kriittinen massa on saavutettava alle millisekunnissa, jolloin fissiotapahtumien on oltava vähäisiä. Ainoa halkeamiskelpoinen materiaali, jota voidaan käyttää näissä pommeissa, on uraani 235.

Sovellukset

Spontaanin fissioiden tuottama ytimien takaisku aiheuttaa vikoja halkeamisen aiheuttaneen radionuklidin isäntänä olevassa kiteessä. Nämä kristallivirheet, joita kutsutaan fissiojäljiksi , jatkuvat ilman merkittävää lämpenemistä.

Hapon vaikutuksesta näytekappaleen pinnalla olevat fissiojäljet voidaan kehittää (kuten valokuvauselokuvien kehitys ) ja tulla siten näkyviksi mikroskoopilla. Uraanin 238 fissiojälkien määrä on perusta absoluuttiselle dating- menetelmälle, jota kutsutaan fissiojälkemääräksi . Plutonium 244: n , sammutetun radioaktiivisuuden , laskeminen mahdollistaa suhteellisen vanhojen näytteiden (useita miljardeja vuosia).

Huomautuksia ja viitteitä

(fr) Tämä artikkeli on osittain tai kokonaan otettu Wikipedian englanninkielisestä artikkelista " Spontaani fissio " ( katso kirjoittajaluettelo ) .

Huomautuksia

Spontaaniin fissioon liittyvä puoliintumisaika saadaan laskemalla, jossa merkitään radioaktiivista vakiota, joka on spesifinen tarkasteltavan nuklidin spontaanille fissiolle. Kun nuklidin voi hajota mukaan useita eri radioaktiivisuuden, sen todellinen puoli-elämä on jossa tarkoittaa summa radioaktiivisen vakiot kunkin tilassa. ${\ displaystyle \, T _ {\ mathrm {fs}} = {\ frac {\ ln 2} {\ lambda _ {\ mathrm {fs}}}}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {\ mathrm {fs}}}$ ${\ displaystyle \, T = {\ frac {\ ln 2} {\ lambda}}}$ $\ lambda$
Fissioiden lämpöteho on yhtä suuri kuin 195 MeV kaikille isotoopeille.

Viitteet

(sisään) Niels Bohr ja John Archibald Wheeler , " The Mechanism of Nuclear Fission " , Physical Review , voi. 56,1. st syyskuu 1939, s. 426 ( DOI 10.1103 / PhysRev.56.426 ).
(en) Konstantin Petrzhak ja Georgi Fliorov , " Spontaani uraanin fissio " , J. Phys. Neuvostoliitto , voi. 3,1940, s. 275.
(sisään) G. Scharff-Goldhaber ja Klaiber GS, " Spontaani emission neutronien uraanista " , Physical Review , voi. 70, nos . 3-4,1 kpl elokuu 1946, s. 229-229 ( DOI 10,1103 / PhysRev.70.229.2 , Bibcode 1946PhRv ... 70..229S ).
(vuonna) Igor Sutyagin, " Ydinaseiden rooli ja sen mahdollinen tulevaisuuden tehtävä " osoitteessa nato.int ( katsottu 15. lokakuuta 2016 ) .
(ru) Konstantin Petrschak, " Популярная библиотека химических элементов " , osoitteessa nt.ru ,27. syyskuuta 2003(käytetty 15. lokakuuta 2016 ) .
(en) Dorin N.Poenaru et ai. , ” Spontaani emissio raskaista klustereista ” , Journal of Physics G: Nuclear Physics , voi. 10,1984, s. L183-L189 ( DOI 10,1088 / 0305-4616 / 10/8/004 , Bibcode 1984JPhG ... 10L.183P ).
(sisään) Kenneth S. Krane , Johdantoydinfysiikka , John Wiley & Sons ,1988, 864 Sivumäärä ( ISBN 978-0-471-80553-3 ) , s. 483-484.
Wagemans 1991 , s. 36.
Wagemans 1991 , s. 37-38.
J. Kenneth Shultis ja Richard E. Faw, Ydintutkimuksen ja tekniikan perusteet , 2002, Marcel Dekker, s. 137 , taulukko 6.2 ( ISBN 0-8247-0834-2 ) .
(sisään) RL Fleischer , PB Price ja RM Walker , Nuclear Tracks in Solids: Principles and Applications , University of California Press, Berkeley,1975, 605 Sivumäärä ( ISBN 978-0-520-02665-0 , lue verkossa ).

Katso myös

Bibliografia

(en) Cyriel Wagemans, "Spontaani fissio" , julkaisussa Cyriel Wagemans, The Fissio Process , CRC Press ,1991( ISBN 9780849354342 , lue verkossa ).
(en) Robert Vandenbosch ja John Robert Huizenga, "Spontaani fissio" , Robert Vandenbosch ja John Robert Huizenga, Ydinfissio , Academic Press ,1973( ISBN 9780127108506 , lue verkossa ).