自发裂变
自发裂变（英语：spontaneous fission）是一种放射性衰变，只发生于高原子序的化学元素。由于元素的核结合能在原子量约为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为铌-93（93
41Nb
）和钼-94（94
42Mo
）。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-232（232
90Th
），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。钍-232、铀-235（235
92U
）及铀-238（238
92U
）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”，是放射性定年法中裂变径迹定年法的基础。
锔-250（250
96Cm
）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及锕系后元素，例如钔、铹、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：
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。例如锎-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[编辑]
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年 | 7.0x10−11 | 1.86 | 1.0x10−5 |
| 238U | 4.47x109年 | 5.4x10−7 | 2.07 | 0.0136 |
| 239Pu | 2.41x104年 | 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[编辑]
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[编辑]
- ^ Krane, Kenneth S. Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. 1988: 483–484 (Equation 13.3). ISBN 978-0-471-80553-3.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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）.
- ^ 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[编辑]
The LIVEChart of Nuclides - IAEA with filter on spontaneous fission decay
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