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分裂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（英语：Primordial nuclide）。钍-232、铀-235（235
92U
）及铀-238（238
92U
）虽然有极低机率发生自发裂变，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：

{\hbox{Z}}^{2}/{\hbox{A}}\geq 47.

^[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连锁反应。另外，明显发生自发裂变的放射性核素能作为中子源。例如鉲-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。武器级的钸样本中有不超过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遮蔽宇宙射线。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

^ 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

The LIVEChart of Nuclides - IAEA with filter on spontaneous fission decay

[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)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]