| Ядерная физика |
|---|
 |
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерное вещество · Ядерная сила · Структура ядра · Ядерная реакция |
Спонтанное деление (SF) - это форма радиоактивного распада, которая встречается 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 [ править ]
К 1908 году было известно , что процесс альфа-распада состоит из выброса ядер гелия из распадающегося атома; [1] однако, как и в случае распада кластера , альфа-распад обычно не классифицируется как процесс деления. [2]
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 идентифицировано в 1940 году советскими физиками Георгием Флёровым и Константином Петржаком [3] [4] в ходе их наблюдений за ураном на станции Динамо Московского метрополитена на глубине 60 метров (200 футов) под землей. [5]
Было показано, что распад кластера представляет собой суперсимметричный процесс спонтанного деления. [6]
Осуществимость [ править ]
Элементаль [ править ]
Спонтанное деление возможно в течение практического времени наблюдения только для атомных масс 232 атомных единиц массы или более. Это нуклиды, по крайней мере, такие же тяжелые, как торий-232, у которых период полураспада несколько превышает возраст Вселенной . 232 Th, 235 U и 238 U являются первичными нуклидами и оставили свидетельства самопроизвольного деления в своих минералах.
Известные элементы, наиболее подверженные спонтанному делению, - это синтетические актиниды с высоким атомным номером и трансактиниды с атомным номером от 100 и выше.
Для природных 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 [ править ]
Модель жидкой капли приблизительно предсказывает, что спонтанное деление может произойти за достаточно короткое время, чтобы его можно было наблюдать с помощью существующих методов, когда
- [7]
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 спонтанного деления [ править ]
| Nu- Clide | Период полураспада (лет) | Проблема деления . за распад (%) | Нейтронов на | Спонтанный период полураспада (лет) | Z 2/А | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Деление | Грамм-сек | |||||
| 235U | 7,04 · 10 8 | 2,0 · 10 −7 | 1,86 | 0,0003 | 3,5 · 10 17 | 36,0 |
| 238U | 4,47 · 10 9 | 5,4 · 10 −5 | 2,07 | 0,0136 | 8,4 · 10 15 | 35,6 |
| 239Пу | 24100 | 4,4 · 10 −10 | 2,16 | 0,022 | 5,5 · 10 15 | 37,0 |
| 240Пу | 6569 | 5,0 · 10 −6 | 2,21 | 920 | 1,16 · 10 11 | 36,8 |
| 250См | 8300 [9] | ~ 74 | 3,31 | 1,6 · 10 10 | 1,12 · 10 4 | 36,9 |
| 252Cf | 2,6468 [10] | 3,09 | 3,73 | 2,3 · 10 12 | 85,7 | 38,1 |
На практике, 239
Пу
обязательно 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 [ править ]
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. Спонтанное 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, калифорний -252 (период полураспада 2,645 года, коэффициент ответвлений SF около 3,1 %) можно использовать для этой цели. Выделяемые нейтроны можно использовать для проверки багажа авиакомпаний на предмет скрытых взрывчатых веществ, для измерения содержания влаги в почве на шоссе и 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 можно близко аппроксимировать как процесс Пуассона . В этой ситуации для коротких интервалов времени вероятность спонтанного деления прямо пропорциональна длительности времени.
Спонтанное деление урана-238 и урана-235 действительно оставляет следы повреждений в кристаллической структуре урансодержащих минералов, когда осколки деления проходят через них. Эти следы или треки деления являются основой метода радиометрического датирования, называемого датированием по трекам деления .
См. Также [ править ]
- Естественный ядерный реактор деления
Примечания [ править ]
- ^ Rutherford, E .; Ройдс, Т. (1908). «XXIV. Спектр излучения радия» . Философский журнал . серия 6. 16 (92): 313–317. DOI : 10.1080 / 14786440808636511 .
- ^ Сантош, КП; Биджу, РК (1 января 2009 г.). «Альфа-распад, кластерный распад и спонтанное деление в изотопах (294–326) 122». Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц . 36 (1): 015107. Bibcode : 2009JPhG ... 36a5107S . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 36/1/015107 .
- ^ Г. Шарфф-Голдхабер и Г. С. Клайбер (1946). «Спонтанное испускание нейтронов из урана». Phys. Ред . 70 (3–4): 229. Полномочный код : 1946PhRv ... 70..229S . DOI : 10.1103 / PhysRev.70.229.2 .
- ↑ Игорь Сутягин: Роль ядерного оружия и его возможные будущие миссии
- ^ Петржаком, Константин . «Как было обнаружено самопроизвольное деление» .
- ↑ Дорин Н. Поэнару ; и другие. (1984). «Спонтанный выброс тяжелых кластеров». Журнал физики G: Ядерная физика . 10 (8): L183 – L189. Bibcode : 1984JPhG ... 10L.183P . DOI : 10.1088 / 0305-4616 / 10/8/004 .
- ^ Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику . Джон Вили и сыновья . стр. 483–484 (уравнение 13.3). ISBN 978-0-471-80553-3.
- ^ Шултис, Дж. Кеннет; Ричард Э. Фау (2008). Основы ядерной науки и техники . CRC Press . С. 141 (таблица 6.2). ISBN 978-1-4200-5135-3.
- ^ Запись на periodictable.com
- ^ Запись на periodictable.com
Внешние ссылки [ править ]
- LIVEChart of Nuclides - МАГАТЭ с фильтром по спонтанному распаду деления
