Spontánní štěpení - Spontaneous fission

Spontánní štěpení (SF) je forma radioaktivního rozpadu, který se nachází pouze ve velmi těžkých chemických prvcích . Nukleární vazební energie z elementů dosahuje svého maxima při daných atomové hmotnostní číslo asi 56; spontánní rozpad na menší jádra a několik izolovaných jaderných částic je možný při větších počtech atomové hmotnosti.

Dějiny

V roce 1908 byl proces rozpadu alfa známý tím, že sestával z vysunutí jader helia z rozpadajícího se atomu; Stejně jako u rozpadu klastru není alfa rozpad typicky kategorizován jako proces štěpení.

První objevený proces jaderného štěpení bylo štěpení vyvolané neutrony . Protože kosmické paprsky produkují některé neutrony, bylo obtížné rozlišit mezi indukovanými a spontánními událostmi. Kosmické paprsky mohou být spolehlivě chráněny silnou vrstvou horniny nebo vody. Spontánní štěpení identifikovali v roce 1940 sovětští fyzici Georgy Flyorov a Konstantin Petrzhak podle pozorování uranu ve stanici moskevského metra Dinamo , 60 metrů pod zemí.

Proveditelnost

Elementární

Spontánní štěpení je během praktických pozorovacích časů možné pouze pro atomové hmotnosti 232 atomových hmotnostních jednotek nebo více. Jedná se o nuklidy přinejmenším stejně těžké jako thorium-232 -jejichž poločas rozpadu je o něco delší než věk vesmíru . ²³² Th, ²³⁵ U a ²³⁸ U jsou prvotní nuklidy a zanechaly důkazy o spontánním štěpení minerálů.

Známými prvky, které jsou nejvíce náchylné ke spontánnímu štěpení, jsou syntetické aktinidy s vysokým atomovým číslem a transaktinidy s atomovým číslem od 100 dále.

U přirozeně se vyskytujícího thoria-232, uranu-235 a uranu-238 dochází k spontánnímu štěpení jen zřídka, ale v naprosté většině radioaktivního rozpadu těchto atomů dochází místo toho k rozpadu alfa nebo beta . Proto je spontánní štěpení těchto izotopů obvykle zanedbatelné, s výjimkou použití přesných poměrů větvení při zjišťování radioaktivity vzorku těchto prvků, nebo v aplikacích, které jsou velmi citlivé na i nepatrný počet štěpných neutronů (jako je konstrukce jaderných zbraní) ).

Matematický

Model kapalných kapek přibližně předpovídá, že spontánní štěpení může nastat v dostatečně krátkém čase, aby jej bylo možné sledovat současnými metodami

{\ displaystyle {\ frac {Z^{2}} {A}} \ geq 47.}

kde Z je atomové číslo a A je hmotnostní číslo (např. $Z 2 / A = 36$ pro uran-235). Všechny známé nuklidy, které jako hlavní režim rozpadu podléhají spontánnímu štěpení, však nedosahují této hodnoty 47, protože model kapalných kapek není kvůli silným skořápkovým efektům příliš přesný pro nejtěžší známá jádra.

Rychlost spontánního štěpení

Poločas spontánního štěpení různých nuklidů v závislosti na jejich poměru Z ² / A. Nuklidy stejného prvku jsou spojeny červenou čarou. Zelená čára ukazuje horní hranici poločasu rozpadu. Data převzata z francouzské Wikipedie .

Rychlost spontánního štěpení
Nu- clide	Poločas rozpadu (roky)	Štěpení prob. za rozpad (%)	Neutrony za		Spontánní poločas rozpadu (roky)	Z ²/A
Nu- clide	Poločas rozpadu (roky)	Štěpení prob. za rozpad (%)	Štěpení	Gram s	Spontánní poločas rozpadu (roky)	Z ²/A
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 Srov	02,6468	3,09	3,73	02,3 · 10 ¹²	85,7	38,1

V praxi, ²³⁹
Pu
bude vždy obsahovat určité množství ²⁴⁰
Pu
vzhledem k tendenci ²³⁹
Pu
absorbovat další neutron během výroby. ²⁴⁰
Pu
Vysoká míra spontánních štěpných událostí z něj činí nežádoucí kontaminant. Plutonium na úrovni zbraní neobsahuje více než 7,0%²⁴⁰
Pu
.

Zřídka používaná atomová bomba typu zbraně má kritický čas vložení přibližně jednu milisekundu a pravděpodobnost štěpení během tohoto časového intervalu by měla být malá. Proto pouze²³⁵
U
je vhodný. Téměř všechny jaderné bomby používají nějaký způsob imploze .

Spontánní štěpení může nastat mnohem rychleji, když jádro atomu prochází superdeformací .

Poissonův proces

Spontánní štěpení dává téměř stejný výsledek jako indukované jaderné štěpení . Nicméně, stejně jako jiné formy radioaktivního rozpadu, dochází v důsledku kvantového tunelování , aniž by byl atom zasažen neutronem nebo jinou částicí, jako při indukovaném jaderném štěpení. Spontánní štěpení uvolňuje neutrony jako všechny štěpení, takže pokud je přítomno kritické množství, spontánní štěpení může iniciovat soběstačnou řetězovou reakci. Radioizotopy, u nichž není spontánní štěpení zanedbatelné, lze použít jako zdroje neutronů. K tomuto účelu lze například použít californium -252 (poločas rozpadu 2,645 let, poměr větví SF asi 3,1 procenta ). Uvolněné neutrony lze použít ke kontrole skrytých výbušnin v leteckých zavazadlech, k měření obsahu vlhkosti v půdě při stavbě dálnic a budov nebo například k měření vlhkosti materiálů skladovaných v silech.

Dokud spontánní štěpení poskytuje zanedbatelné snížení počtu jader, které mohou takové štěpení podstoupit, lze tento proces blíže přiblížit jako Poissonův proces . V této situaci je pro krátké časové intervaly pravděpodobnost spontánního štěpení přímo úměrná délce času.

Spontánní štěpení uranu-238 a uranu-235 zanechává stopy v krystalové struktuře minerálů obsahujících uran, když jimi štěpí fragmenty štěpení. Tyto stezky neboli štěpné dráhy jsou základem radiometrické datovací metody zvané fission track dating .

Languages

In other projects

Spontánní štěpení - Spontaneous fission

Obsah

Dějiny

Proveditelnost

Elementární

Matematický

Rychlost spontánního štěpení

Poissonův proces

Viz také

Poznámky

externí odkazy