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自发裂变

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自发裂变(英语:spontaneous fission)是一种放射性衰变,只发生于高原子序化学元素。由于元素的核结合能原子量约为58个原子质量单位(u)时最高,因此更高质量的原子核可能会自发性地裂变为数个较小的原子核,以及一些单独的核子

理论上质量数(A)大于等于93的β衰变稳定同量异位素英语beta-decay stable isobars都可以发生自发裂变(包括α衰变) ,因此理论上能够自发裂变的最轻天然核素铌-9393
41
Nb
)和钼-9494
42
Mo
)。然而在自然界的铌和钼同位素中却都没有观测到自发裂变的迹象。

目前只有在质量数232以上的核素中才实际观测到自发裂变现象的发生。其中最轻的核素为钍-232232
90
Th
),其半衰期大于宇宙的年龄。钍-232是具有发生自发裂变的证据的最轻原始核素英语Primordial nuclide。钍-232、铀-235235
92
U
)及铀-238238
92
U
)虽然有极低概率发生自发裂变,但绝大多数时间都进行α衰变。因此这些核素的自发裂变几乎可以忽略,只在使用衰变分支比计算元素的放射性时用到。铀-238和铀-235自发衰变时,衰变碎片会在含铀矿物晶体结构中留下破坏的痕迹。这些痕迹称为“裂变径迹”,是放射性定年法裂变径迹定年法的基础。

锔-250250
96
Cm
)是已知最轻的以自发裂变为主要衰变模式的核素。至于最容易进行自发裂变的元素主要为原子序数为100以上的人造锕系元素锕系后元素,例如𬬻等。

要计算一种原子核是否能自发裂变,并其发生时长足够短以允许现行方法进行观测,能用以下公式约算:

[1]

其中Z为原子序而A为原子量

顾名思义,自发裂变产物与人工核裂变所产生的相同。但是正如其他形式的核衰变,自发裂变是由于量子隧穿效应,而不像人工核裂变需要以中子或其他粒子撞击来诱发。自发裂变和诱发裂变一样产生中子,因此如果达到了临界质量,自发裂变能够初始自我维持的链式反应。另外,明显发生自发裂变的放射性核素能作为中子源。例如-252(半衰期2.645年,自发裂变分支比约为3.1%)便有此应用。所产生的中子能用以检查航空行李中是否藏有爆炸品,或测量高速公路及建筑物土质的湿度。

如果自发裂变所减少的原子核数量是可忽略的,那该过程能准确地模拟为泊松分布。在这种情况下,短时段内发生自发裂变的概率与时长大约成正比。

自发裂变率

自发裂变率:[2]

核素 半衰期 每次衰变的裂变概率 每次衰变的中子产数 每克每秒的中子产数
235U 7.04x108 7.0x10−11 1.86 1.0x10−5
238U 4.47x109 5.4x10−7 2.07 0.0136
239Pu 2.41x104 4.4x10−12 2.16 2.2x10−2
240Pu 6569年 5.0x10−8 2.21 920
250Cm 8300年 0.80 ? ?
252Cf 2.638年 3.09x10−2 3.73 2.3x1012

事实上239Pu无可避免地会含有一定量的240Pu,因为239Pu在制造时会吸收一颗额外的中子。因为240Pu有高自发裂变率,因此它是必须移除的污染物。武器级的钚样本中有不超过7.0%的240Pu。

甚少使用的枪型核弹的临界接入时间大约为1毫秒,而在这段时间内发生自发裂变的机会需要很小,所以只能使用235U。几乎所有核弹都用内爆法。

自发裂变在原子核进行超形变时会发生得更快。

历史

最先发现的裂变反应是由中子引发的裂变。由于宇宙射线能制造中子,所以很难区分由中子引致的裂变和自发裂变事件。用厚厚的一层岩石或水可以有效地屏蔽宇宙射线。自发裂变在1940年由苏联物理学家格奥尔基·弗廖罗夫和Konstantin Petrzhak[3][4]在观察莫斯科地铁Dinamo站中位于地下60米的铀时发现。[5]

参考资料

  1. ^ Krane, Kenneth S. Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. 1988: 483–484 (Equation 13.3). ISBN 978-0-471-80553-3. 
  2. ^ Shultis, J. Kenneth; Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. Marcel Dekker, Inc. 2002: 137 (table 6.2). ISBN 0-8247-0834-2. 
  3. ^ G. Scharff-Goldhaber and G. S. Klaiber. Spontaneous Emission of Neutrons from Uranium. Phys. Rev. 1946, 70 (3–4): 229–229. Bibcode:1946PhRv...70..229S. doi:10.1103/PhysRev.70.229.2. 
  4. ^ Igor Sutyagin: The role of nuclear weapons and its possible future missions. [2012-06-04]. (原始内容存档于2016-03-03). 
  5. ^ K. Petrzhak: How the spontaneous fission was discovered页面存档备份,存于互联网档案馆) (in Russian)

外部链接