Спонтанное деление

Спонтанное деление (СФ) — это форма радиоактивного распада , при которой тяжелое атомное ядро распадается на два или более более легких ядра. В отличие от вынужденного деления , здесь нет возбуждающей частицы, вызывающей распад; это чисто вероятностный процесс.

Спонтанное деление является доминирующим способом распада сверхтяжелых элементов , при этом ядерная стабильность обычно падает по мере увеличения ядерной массы. Таким образом, это образует практический предел числа нуклонов тяжелых элементов. Более тяжелые нуклиды могут быть созданы мгновенно в результате физических процессов, как естественных (посредством r - процесса ), так и искусственных, хотя они быстро распадаются на более стабильные нуклиды. Таким образом, за исключением малых ветвей распада первичных радионуклидов, спонтанное деление в природе не наблюдается.

Наблюдаемые периоды полураспада деления варьируются от 4,1 микросекунд ( ²⁵⁰
₁₀₂ Нет
) до большего, чем текущий возраст Вселенной ( ²³²
₉₀ тыс.
). ^{[ 1 ]}^: 16

История

После открытия Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году вынужденного деления советские физики Георгий Флеров и Константин Петржак начали проводить эксперименты по изучению влияния энергии падающих нейтронов на ядра урана. московского метрополитена, Их оборудование регистрировало осколки деления даже тогда, когда не было нейтронов, вызывающих распад, и эффект сохранялся даже после того, как оборудование было перенесено на 60 метров под землю в туннели станции «Динамо» чтобы изолировать его от воздействия космических лучей. . Само открытие вынужденного деления стало неожиданностью, и не было известно никакого другого механизма, который мог бы объяснить наблюдаемые распады. Такой эффект можно было объяснить только спонтанным делением ядер урана без внешнего воздействия. ^{[ 2 ]}

Механизм

Спонтанное деление возникает в результате конкуренции между притягивающими свойствами сильного ядерного взаимодействия и взаимным кулоновским отталкиванием составляющих его протонов. Энергия связи ядра увеличивается пропорционально атомному массовому числу (A), однако кулоновское отталкивание увеличивается с квадратом числа протонов (Z). Таким образом, при больших массах и числах протонов кулоновское отталкивание превосходит силы связи ядра, и ядро энергетически более стабильно как два отдельных фрагмента, чем как единая связанная система. ^{[ 3 ]}^: 478–9

Спонтанное деление обычно представляет собой медленный процесс, поскольку ядро не может просто перейти в состояние с более низкой энергией (разделенное). Вместо этого он должен туннелировать через потенциальный барьер, вероятность которого определяется высотой барьера. Такой барьер энергетически возможен для всех A ≥ 93, хотя его высота, как правило, уменьшается с ростом Z: ^{[ 3 ]}^: 433 а деление практически наблюдается только при A ≥ 232. ^{[ 4 ]}

Устойчивость нуклида к делению выражается как отношение кулоновской энергии к поверхностной энергии, которую можно оценить эмпирически как параметр делимости x: $x\approx {\frac {Z^{2}}{50.88A(1-\eta I^{2})}}$ с $I={\tfrac {N-Z}{A}}$ и $\eta \approx 1.78$ . ^{[ 5 ]}^: 3 Для легких ядер x мал и существует значительный барьер деления. По мере увеличения массы ядра увеличивается и параметр делимости, в конечном итоге приближаясь к единице и превышая ее , при этом устойчивость к делению полностью теряется. ^{[ 6 ]}^: 4

Оболочечные эффекты и эффекты спаривания нуклонов могут дополнительно повлиять на наблюдаемые периоды полураспада. Распад нечетных А-нуклидов затруднен на 3–5 порядков по сравнению с четно-четными нуклидами. ^{[ 7 ]}^: 4 Ожидается, что барьер деления будет равен нулю в районе A = 300, хотя остров стабильности может существовать с центром в районе Z = 114, N = 184. ^{[ 3 ]}^: 481–2

На сегодняшний день невозможны истинные ab initio модели, описывающие полный процесс деления. ^{[ 7 ]}^: 3 Были разработаны вычислительные теории, основанные на подходах теории Хартри-Фока или теории функционала плотности , однако сложность вычислений затрудняет воспроизведение полного поведения. ^{[ 1 ]}^: 35 Квазиклассическая модель капли жидкости обеспечивает в первую очередь качественное описание феноменологии, рассматривая ядро как классическую каплю жидкости, к которой могут быть применены квантовые поправки, что дает полезную концептуальную картину, которая частично совпадает с экспериментальными данными, но игнорирует большая часть квантовой природы системы и не позволяет сделать более строгие предсказания.

В этой модели, как и в классической жидкой капле, вводится термин « поверхностное натяжение », который способствует сферической форме ядра. Противоположно действует член кулоновского отталкивания, который увеличивает расстояние между отталкивающими парами протонов и, таким образом, способствует удлинению ядра до овальной формы. ^{[ 5 ]}^: 3 По мере увеличения деформации ядра, особенно для больших ядер из-за их более сильного кулоновского отталкивания, ядро может оказаться в состоянии, в котором развивается тонкая «шея», образующая мост между двумя кластерами ядерной материи, который может превышать способность поверхностного натяжения для восстановления недеформированной формы, в конечном итоге распадаясь на два фрагмента в «точке разрыва». ^{[ 1 ]}^: 15 Учитывая эффекты квантового туннелирования, ядро всегда имеет шанс на разрыв, который увеличивается с увеличением деформации, и может сделать это, даже если деформация недостаточна, чтобы вызвать разрыв шейки. После разделения оба фрагмента имеют сильный положительный заряд и, следовательно, приобретают значительную кинетическую энергию за счет взаимного отталкивания по мере ускорения друг от друга.

Изомеры формы (также называемые изомерами деления ) — это возбужденные состояния ядра, существующие до разрыва, которые могут отклоняться от сферической геометрии, увеличивая деформацию ядра по сравнению с основным состоянием без полного деления. Эти состояния являются «метастабильными»: ядро в этом состоянии может за время от наносекунд до микросекунд либо распасться обратно в основное состояние посредством гамма-излучения, либо туннелировать через барьер разделения и распасться. Если ядро окажется в этом состоянии либо в результате квантового туннелирования, либо в результате случайных статистических флуктуаций, барьер для деления значительно уменьшится, поскольку изомеры формы всегда находятся на более высоком энергетическом уровне, чем основное состояние, и, следовательно, им больше не требуется туннелировать через весь барьер. В результате возросшая вероятность деления снижает эффективный период полураспада нуклида. ^{[ 3 ]}^: 494–7 Трехгорбые барьеры были предложены для некоторых ядерных видов, таких как ²²⁸
₉₀ тыс.
, что еще больше уменьшает его наблюдаемый период полураспада. ^{[ 8 ]}

Продукты

Осколки деления обычно богаты нейтронами и всегда генерируются в возбужденном состоянии. ^{[ 1 ]}^: 3 Таким образом, дочерние распады происходят быстро после разрыва. Распады происходят в течение 10 ⁻¹³Процессы разрыва называются «мгновенными», и первоначально в них преобладает серия испусканий нейтронов, которые остаются доминирующим режимом распада до тех пор, пока энергия фрагмента не уменьшится до того же порядка величины, что и энергия отделения нейтрона (приблизительно 7 МэВ ), когда испускание фотонов становится конкурентоспособным. Ниже энергии отделения нейтрона преобладает гамма-излучение, характеризующееся неупорядоченным спектром гамма-энергий с характерными низкоэнергетическими пиками, соответствующими конкретным распадам при спуске дочерней линии по ираст-линии , ^{[ 1 ]}^: 53–4 каждый распад уносит избыточный угловой момент. ^{[ 6 ]}^: 8 Среднее общее мгновенное гамма-излучение у более легкого фрагмента на 30% выше, чем у более тяжелого, что означает, что более тяжелый фрагмент создается с более высоким начальным угловым моментом. ^{[ 6 ]}^: 19 Наконец, внутреннее преобразование и рентгеновское излучение завершают быстрые выбросы. ^{[ 1 ]}^: 53–4 Дочерние продукты, созданные в результате мгновенных распадов, часто неустойчивы к бета-распаду, и также ожидаются дальнейшие выбросы фотонов и нейтронов. Такие выбросы называются «замедленными выбросами» и имеют период полураспада от пикосекунд до лет. ^{[ 1 ]}^: 3

В результате большого количества путей распада делящегося ядра конечные продукты сильно различаются. Массы фрагментов обычно распределяются вокруг двух пиков с центрами A ≈ 95 и A ≈ 140. ^{[ 3 ]}^: 484 Спонтанное деление не благоприятствует осколкам равной массы, и убедительного объяснения этому не найдено. ^{[ 3 ]}^: 484 В редких случаях (0,3%) могут образоваться три и более осколков деления. ^{[ 9 ]} Тройные продукты обычно представляют собой альфа-частицы, хотя могут быть такими же массивными, как ядра кислорода. ^{[ 1 ]}^: 46

Суммарное энерговыделение всех продуктов составляет примерно 200 МэВ . ^{[ 5 ]}^: 4 в основном наблюдается как кинетическая энергия осколков деления, причем более легкий фрагмент получает большую долю энергии. ^{[ 3 ]}^: 491–2 Для данного пути распада количество испускаемых нейтронов непостоянно и вместо этого следует гауссову распределению. Однако распределение среднего значения одинаково для всех путей затухания. ^{[ 3 ]}^: 486 Мгновенные нейтроны испускаются с энергиями, аппроксимируемыми (но не точно соответствующими) распределению Максвелла : ^{[ 6 ]}^: 17–8 с пиком от 0,5 до 1 МэВ, со средней энергией 2 МэВ и максимальной энергией примерно 10 МэВ . ^{[ 10 ]}^: 4–5 Мгновенное гамма-излучение составляет еще 8 МэВ, а бета-распад и запаздывающее гамма-излучение составляют еще 19 МэВ и 7 МэВ соответственно. ^{[ 3 ]}^: 492 Менее 1% испускаемых нейтронов испускаются в виде запаздывающих нейтронов. ^{[ 11 ]}

Приложения

Наиболее распространенным применением спонтанного деления является источник нейтронов для дальнейшего использования. Эти нейтроны могут использоваться для таких приложений, как нейтронная визуализация , или могут вызывать дополнительные ядерные реакции, включая инициирование индуцированного деления мишени, что обычно происходит в ядерных реакторах и ядерном оружии .

В кристаллах, содержащих большое количество урана, продукты деления, образующиеся в результате спонтанного деления, оставляют следы повреждений, когда осколки отскакивают через кристаллическую структуру. Количество следов или треков деления можно использовать для оценки возраста образца посредством датирования треков деления .

Скорость спонтанного деления

Скорость спонтанного деления ^{[ 12 ]}
Нуклид	Период полураспада (лет)	деления Коэффициент ветвления (% распадов)	Нейтронов на		Спонтанный период полураспада (лет)	⁠ Z ²/ A ⁠
Нуклид	Период полураспада (лет)	деления Коэффициент ветвления (% распадов)	Деление	Грамм-сек	Спонтанный период полураспада (лет)	⁠ Z ²/ A ⁠
²³⁵ В	7.04·10 ⁸	2.0·10 ⁻⁷	1.86	0 0 0.0003	3.5·10 ¹⁷	36.0
²³⁸ В	4.47·10 ⁹	5.4·10 ⁻⁵	2.07	0 0 0.0136	8.4·10 ¹⁵	35.6
²³⁹ Мог	24100	4.4·10 ⁻¹⁰	2.16	0 0 0.022	5.5·10 ¹⁵	37.0
²⁴⁰ Мог	0 6569	5.0·10 ⁻⁶	2.21	920	1.16·10 ¹¹	36.8
²⁵⁰ См	0 8300 ^{[ 13 ]}	~ 74	3.31	0 1.6·10 ¹⁰	1.12·10 ⁴	36.9
²⁵² См.	0 2.6468 ^{[ 14 ]}	3.09	3.73	0 2.3·10 ¹²	85.7	38.1

См. также

Примечания

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Шунк, Николас; Ренье, Дэвид (1 июля 2022 г.). «Теория ядерного деления» . Прогресс в области физики элементарных частиц и ядерной физики . 125 . arXiv : 2201.02719 . дои : 10.1016/j.ppnp.2022.103963 .
^ Петржак Константин . «Как было открыто спонтанное деление» .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471805533 .
^ «Что такое спонтанное деление – определение» . Радиационная дозиметрия . 14 декабря 2019 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Шунк, Н; Робледо, LM (1 ноября 2016 г.). «Микроскопическая теория деления ядра: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 79 (11). arXiv : 1511.07517 . дои : 10.1088/0034-4885/79/11/116301 . ПМИД 27727148 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Рандруп, Дж.; Фогт, Р. (3 октября 2012 г.). Ядерное деление . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. (LLNL), Ливермор, Калифорния (США). ОСТИ 1124864 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бендер, Майкл; Бернар, Реми; Берч, Джордж; Чиба, Сатоши; Добачевский, Яцек; Дубрей, Ноэль; Джулиани, Сэмюэл А; Хагино, Коити; Лакруа, Дени; Ли, Жипан; Магиерски, Питер; Марун, Иоахим; Назаревич, Витольд; Пей, Цзюнчен; Перу, Софи; Пилле, Натали; Рандруп, Йорген; Ренье, Дэвид; Рейнхард, Пауль-Герхард; Робледо, Луис М; Риссенс, Воутер; Садхухан, Джилам; Скампс, Уильям; Шунк, Николас; Сименель, Седрик; Скальский, Януш; Стецку, Ионел; Стивенсон, Пол; Умар, Саит; Верьер, Марк; Вретенар, Дарио; Уорд, Майкл; Оберг, Свен (1 ноября 2020 г.). «Будущее теории ядерного деления» . Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц . 47 (11): 113002. doi : 10.1088/1361-6471/abab4f . hdl : 1885/224561 .
^ Макдоннелл, доктор медицинских наук; Назаревич, В.; Шейх, JA (22 мая 2013 г.). «Третий минимум изотопов тория и урана в самосогласованной теории» . Физический обзор C . 87 (5): 054327. arXiv : 1302.1165 . дои : 10.1103/PhysRevC.87.054327 .
^ Ivanov, M. P; Buklanov, G. V; David, I.; Kushniruk, V. F; Sobolev, Yu. G.; Fomichev, A. S. (1 July 2000). Simultaneous Emission of Two Light Charged Particles in the Spontaneous Fission of ²⁴⁸См и ²⁵²См. (PDF) . XIV Международный семинар по физике ядерного деления.
^ Капоте, Р.; Чен, Ю.-Дж.; Хамбш, Ф.-Ж.; Корнилов, Н.В.; Лестоун, JP; Литаизе, О.; Морийон, Б.; Нойдекер, Д.; Оберштедт, С.; Осава, Т.; Отука, Н.; Проняев В.Г.; Саксена, А.; Серот, О.; Щербаков О.А.; Шу, Северная Каролина; Смит, Д.Л.; Талу, П.; Трков, А.; Тудора, AC; Фогт, Р.; Воробьев А.С. (январь 2016 г.). «Спектры мгновенных нейтронов деления актинидов». Таблицы ядерных данных . 131 : 1–106. дои : 10.1016/j.nds.2015.12.002 . ОСТИ 1239564 .
^ Шультис, Дж. Кеннет; Фау, Ричард Э. (7 сентября 2007 г.). Основы ядерной науки и техники . ЦРК Пресс. п. 148. ИСБН 978-1439894088 .
^ Шультис, Дж. Кеннет; Фао, Ричард Э. (2008). Основы ядерной науки и техники . ЦРК Пресс . стр. 141 (табл. 6.2). ISBN 978-1-4200-5135-3 .
^ Запись на сайте periodtable.com.
^ Запись на сайте periodtable.com.

Внешние ссылки

ЖИВАЯ карта нуклидов в МАГАТЭ с фильтром по спонтанному распаду деления.

[Schunck2022-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Шунк, Николас; Ренье, Дэвид (1 июля 2022 г.). «Теория ядерного деления» . Прогресс в области физики элементарных частиц и ядерной физики . 125 . arXiv : 2201.02719 . дои : 10.1016/j.ppnp.2022.103963 .

[2] Петржак Константин . «Как было открыто спонтанное деление» .

[Krane-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Крейн, Кеннет С. (1988). Введение в ядерную физику . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471805533 .

[4] «Что такое спонтанное деление – определение» . Радиационная дозиметрия . 14 декабря 2019 г.

[Schunck2016-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Шунк, Н; Робледо, LM (1 ноября 2016 г.). «Микроскопическая теория деления ядра: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 79 (11). arXiv : 1511.07517 . дои : 10.1088/0034-4885/79/11/116301 . ПМИД 27727148 .

[Randrup-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Рандруп, Дж.; Фогт, Р. (3 октября 2012 г.). Ядерное деление . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. (LLNL), Ливермор, Калифорния (США). ОСТИ 1124864 .

[Bender-7] Перейти обратно: ^а ^б Бендер, Майкл; Бернар, Реми; Берч, Джордж; Чиба, Сатоши; Добачевский, Яцек; Дубрей, Ноэль; Джулиани, Сэмюэл А; Хагино, Коити; Лакруа, Дени; Ли, Жипан; Магиерски, Питер; Марун, Иоахим; Назаревич, Витольд; Пей, Цзюнчен; Перу, Софи; Пилле, Натали; Рандруп, Йорген; Ренье, Дэвид; Рейнхард, Пауль-Герхард; Робледо, Луис М; Риссенс, Воутер; Садхухан, Джилам; Скампс, Уильям; Шунк, Николас; Сименель, Седрик; Скальский, Януш; Стецку, Ионел; Стивенсон, Пол; Умар, Саит; Верьер, Марк; Вретенар, Дарио; Уорд, Майкл; Оберг, Свен (1 ноября 2020 г.). «Будущее теории ядерного деления» . Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц . 47 (11): 113002. doi : 10.1088/1361-6471/abab4f . hdl : 1885/224561 .

[8] Макдоннелл, доктор медицинских наук; Назаревич, В.; Шейх, JA (22 мая 2013 г.). «Третий минимум изотопов тория и урана в самосогласованной теории» . Физический обзор C . 87 (5): 054327. arXiv : 1302.1165 . дои : 10.1103/PhysRevC.87.054327 .

[9] Ivanov, M. P; Buklanov, G. V; David, I.; Kushniruk, V. F; Sobolev, Yu. G.; Fomichev, A. S. (1 July 2000). Simultaneous Emission of Two Light Charged Particles in the Spontaneous Fission of ²⁴⁸См и ²⁵²См. (PDF) . XIV Международный семинар по физике ядерного деления.

[10] Капоте, Р.; Чен, Ю.-Дж.; Хамбш, Ф.-Ж.; Корнилов, Н.В.; Лестоун, JP; Литаизе, О.; Морийон, Б.; Нойдекер, Д.; Оберштедт, С.; Осава, Т.; Отука, Н.; Проняев В.Г.; Саксена, А.; Серот, О.; Щербаков О.А.; Шу, Северная Каролина; Смит, Д.Л.; Талу, П.; Трков, А.; Тудора, AC; Фогт, Р.; Воробьев А.С. (январь 2016 г.). «Спектры мгновенных нейтронов деления актинидов». Таблицы ядерных данных . 131 : 1–106. дои : 10.1016/j.nds.2015.12.002 . ОСТИ 1239564 .

[11] Шультис, Дж. Кеннет; Фау, Ричард Э. (7 сентября 2007 г.). Основы ядерной науки и техники . ЦРК Пресс. п. 148. ИСБН 978-1439894088 .

[12] Шультис, Дж. Кеннет; Фао, Ричард Э. (2008). Основы ядерной науки и техники . ЦРК Пресс . стр. 141 (табл. 6.2). ISBN 978-1-4200-5135-3 .

[13] Запись на сайте periodtable.com.

[14] Запись на сайте periodtable.com.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]