Kendiliğinden fisyon

Kendiliğinden fisyon veya Spontane fisyon (SF), yalnızca çok ağır kimyasal elementlerde bulunan radyoaktif bozunma biçimidir. Elementlerin nükleer bağlanma enerjisi, yaklaşık 56 atomik kütle sayısında maksimuma ulaşır; Daha küçük çekirdek ve birkaç izole nükleer parçacığa kendiliğinden parçalanma, daha büyük atomik kütle sayılarında mümkün hale gelir.

Tarihçe

1908'e gelindiğinde, alfa bozunması sürecinin, bozulan atomdan helyum çekirdeklerinin fırlatılmasından oluştuğu biliniyordu; ancak, küme bozunmasında olduğu gibi, alfa bozunması tipik olarak bir fisyon süreci olarak kategorize edilmez.

Keşfedilen ilk nükleer fisyon süreci, nötronlar tarafından indüklenen fisyondu. Kozmik ışınlar bazı nötronlar ürettiği için, indüklenen ve kendiliğinden gelişen olayları ayırt etmek zordu. Kozmik ışınlar, kalın bir kaya veya su tabakası ile güvenilir bir şekilde korunabilir. Kendiliğinden fisyon, 1940 yılında Sovyet fizikçiler Georgy Flyorov ve Konstantin Petrzhak tarafından yerin 60 metre (200 ft) altındaki Moskova Metro Dinamo istasyonunda uranyum gözlemleriyle tespit edildi.

Küme bozunmasının süperasimetrik bir spontane fisyon süreci olduğu gösterilmiştir.

Fizibilite

Elemental

Spontane fisyon, yalnızca 232 amu veya daha fazla atomik kütleler için pratik gözlem sürelerine göre mümkündür. Bunlar, evrenin yaşından biraz daha uzun bir yarı ömre sahip olan en az toryum-232 kadar ağır elementlerdir. ²³²Th, ²³⁵U, ve ²³⁸U, ilkel çekirdeklerdir ve minerallerinde kendiliğinden fisyona uğradığına dair kanıtlar bırakmıştır.

Kendiliğinden bölünmeye en duyarlı bilinen elementler, sentetik yüksek atom numaralı aktinitler ve 100'den itibaren atom numaraları olan transaktinidlerdir.

Doğal olarak oluşan toryum-232, uranyum-235 ve uranyum-238 için, kendiliğinden fisyon nadiren meydana gelir, ancak bu atomların radyoaktif bozunmasının büyük çoğunluğunda bunun yerine alfa bozunması veya beta bozunması meydana gelir. Bu nedenle, bu elementlerin bir numunesinin radyoaktivitesini bulurken tam dallanma oranlarının kullanılması dışında, bu izotopların kendiliğinden bölünmesi genellikle ihmal edilebilir düzeydedir.

Matematiksel

Sıvı damla modeli, yaklaşık olarak spontan fisyonun mevcut yöntemlerle gözlemlenecek kadar kısa bir sürede meydana gelebileceğini öngörür.

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

burada Z atom numarası ve A kütle numarasıdır (örneğin, uranyum-235 için Z2/A = 36). Bununla birlikte, ana bozunma modu olarak kendiliğinden fisyona uğrayan bilinen tüm çekirdekler, bu 47 değerine ulaşmaz, çünkü sıvı damla modeli, güçlü kabuk etkileri nedeniyle bilinen en ağır çekirdekler için çok doğru değildir.

Kendiliğinden fisyon oranları

Z²/A oranlarına bağlı olarak çeşitli çekirdeklerin kendiliğinden fisyon yarı ömrü. Aynı elementin çekirdek kısımları kırmızı bir çizgiyle bağlantılıdır. Yeşil çizgi, yarı ömrün üst sınırını gösterir.

Kendiliğinden fisyon oranları

Çeki rdek	Half-life (yıl)	Fizyon olası. bozunma başına (%)	Nötron sayısı		Kendiliğinden yarılanma süresi (yıl)	Z2/A
			Fizyon	Gram-sec
235 U	7.04·108	2.0·10−7	1.86	000.0003	3.5·1017	36.0
238 U	4.47·109	5.4·10−5	2.07	000.0136	8.4·1015	35.6
239 Pu	24100	4.4·10−10	2.16	000.022	5.5·1015	37.0
240 Pu	06569	5.0·10−6	2.21	920	1.16·1011	36.8
250 Cm	08300	~74	3.31	01.6·1010	1.12·104	36.9
252 Cf	02.6468	3.09	3.73	02.3·1012	85.7	38.1

Pratikte ²³⁹Pu, üretim sırasında ek bir nötron absorbe etme eğiliminden dolayı ²³⁹Pu'nun belirli bir miktar ²⁴⁰Pu içerecektir. ²⁴⁰Pu'nun kendiliğinden fisyon olaylarının yüksek oranı, onu istenmeyen bir kirletici yapar. Silah kalitesinde plütonyum %7.0'dan fazla ²⁴⁰Pu içermez.

Nadiren kullanılan silah tipi atom bombası, yaklaşık bir milisaniyelik kritik bir yerleştirme süresine sahiptir ve bu zaman aralığında bir fisyon olasılığı küçük olmalıdır. Bu nedenle sadece ²³⁵U uygundur. Neredeyse tüm nükleer bombalar bir çeşit patlama yöntemi kullanır.

Bir atomun çekirdeği süper deformasyona uğradığında kendiliğinden fisyon çok daha hızlı gerçekleşebilir.

Poisson süreci

Spontane fisyon, indüklenmiş nükleer fisyon ile hemen hemen aynı sonucu verir. Bununla birlikte, diğer radyoaktif bozunma biçimleri gibi, atomun bir nötron veya indüklenmiş nükleer fisyonda olduğu gibi başka bir parçacık tarafından vurulmamış olması nedeniyle, kuantum tünelleme nedeniyle oluşur. Kendiliğinden oluşan fisyonlar, tüm fisyonların yaptığı gibi nötronları serbest bırakır, bu nedenle kritik bir kütle varsa, spontan bir fisyon, kendi kendine devam eden bir zincir reaksiyonu başlatabilir. Kendiliğinden fisyonun ihmal edilemeyeceği radyoizotoplar nötron kaynağı olarak kullanılabilir. Örneğin, kaliforniyum-252 (yarı ömür 2.645 yıl, SF dallanma oranı yaklaşık yüzde 3.1) bu amaçla kullanılabilir. Salınan nötronlar, hava yolu bagajlarını gizli patlayıcılar açısından incelemek, otoyol ve bina inşaatındaki toprağın nem içeriğini ölçmek veya silolarda depolanan malzemelerin nemini ölçmek için kullanılabilir.

Kendiliğinden fisyon, böyle bir fisyona uğrayabilen çekirdek sayısında ihmal edilebilir bir azalma sağladığı sürece, bu süreç bir Poisson süreci olarak yakın bir şekilde tahmin edilebilir. Bu durumda, kısa zaman aralıkları için kendiliğinden bir fisyon olasılığı, zamanın uzunluğu ile doğru orantılıdır.

Uranyum-238 ve uranyum-235'in kendiliğinden fisyonu, fisyon parçaları geri teptiğinde uranyum içeren minerallerin kristal yapısında hasar izleri bırakır. Bu yollar veya fisyon izleri, fisyon izi tarihlemesi adı verilen radyometrik tarihleme yönteminin temelidir.