Fissão espontânea - Spontaneous fission

A fissão espontânea (SF) é uma forma de decomposição radioativa encontrada apenas em elementos químicos muito pesados . A energia de ligação nuclear dos elementos atinge seu máximo em um número de massa atômica de cerca de 56; quebra espontânea em núcleos menores e algumas partículas nucleares isoladas torna-se possível em números de massa atômica maiores.

História

Em 1908, o processo de decaimento alfa era conhecido por consistir na ejeção de núcleos de hélio do átomo em decomposição. Tal como acontece com o decaimento do cluster , o decaimento alfa não é tipicamente classificado como um processo de fissão.

O primeiro processo de fissão nuclear descoberto foi a fissão induzida por nêutrons . Como os raios cósmicos produzem alguns nêutrons, era difícil distinguir entre eventos induzidos e espontâneos. Os raios cósmicos podem ser protegidos de forma confiável por uma espessa camada de rocha ou água. A fissão espontânea foi identificada em 1940 pelos físicos soviéticos Georgy Flyorov e Konstantin Petrzhak por meio de suas observações de urânio na estação de metrô Dinamo de Moscou , a 60 metros de profundidade.

Viabilidade

Elementar

A fissão espontânea é viável em tempos de observação práticos apenas para massas atômicas de 232 unidades de massa atômica ou mais. Esses são nuclídeos pelo menos tão pesados ​​quanto o tório-232 - que têm meia-vida um pouco mais longa do que a idade do universo . 232 Th, 235 U e 238 U são nuclídeos primordiais e deixaram evidências de sofrer fissão espontânea em seus minerais.

Os elementos conhecidos mais suscetíveis à fissão espontânea são os actinídeos sintéticos de alto número atômico e transactinídeos com números atômicos de 100 em diante.

Para o tório-232, urânio-235 e urânio-238 de ocorrência natural , a fissão espontânea raramente ocorre, mas na grande maioria da decadência radioativa desses átomos, ocorre decaimento alfa ou beta . Portanto, a fissão espontânea desses isótopos é geralmente insignificante, exceto no uso das taxas de ramificação exatas ao encontrar a radioatividade de uma amostra desses elementos, ou em aplicações que são muito sensíveis até mesmo a um número minúsculo de nêutrons de fissão (como o design de armas nucleares )

Matemático

O modelo de gota de líquido prevê aproximadamente que a fissão espontânea pode ocorrer em um tempo curto o suficiente para ser observado pelos métodos atuais quando

onde Z é o número atômico e A é o número de massa (por exemplo, Z 2 / A = 36 para urânio-235). No entanto, todos os nuclídeos conhecidos que sofrem fissão espontânea como seu principal modo de decaimento não atingem este valor de 47, pois o modelo de gota de líquido não é muito preciso para os núcleos mais pesados ​​conhecidos devido aos fortes efeitos de casca.

Taxas de fissão espontânea

Meia-vida de fissão espontânea de vários nuclídeos dependendo de sua razão Z 2 / A. Nuclídeos do mesmo elemento são vinculados a uma linha vermelha. A linha verde mostra o limite superior da meia-vida. Dados retirados da Wikipedia francesa .
Taxas de fissão espontânea
nu-
Clide
Meia-vida
(anos)
Fissão prob.
por decadência (%)
Neutrons por
Meia-vida espontânea (anos)
Z 2/UMA
Fissão Gram-seg
235
você
7,04 · 10 8 2,0 · 10 -7 1,86 000,0003 3,5 · 10 17 36,0
238
você
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
Cf
02,6468 3,09 3,73 02,3 · 10 12 85,7 38,1

Na prática, 239
Pu
irá invariavelmente conter uma certa quantidade de 240
Pu
devido à tendência de 239
Pu
para absorver um nêutron adicional durante a produção. 240
Pu
a alta taxa de eventos de fissão espontânea o torna um contaminante indesejável. Plutônio para armas contém no máximo 7,0%240
Pu
.

A bomba atômica do tipo arma raramente usada tem um tempo de inserção crítico de cerca de um milissegundo, e a probabilidade de uma fissão durante esse intervalo de tempo deve ser pequena. Portanto, apenas235
você
é apropriado. Quase todas as bombas nucleares usam algum tipo de método de
implosão .

A fissão espontânea pode ocorrer muito mais rapidamente quando o núcleo de um átomo sofre superdeformação .

Processo de Poisson

A fissão espontânea dá quase o mesmo resultado que a fissão nuclear induzida . No entanto, como outras formas de decaimento radioativo, ocorre devido ao tunelamento quântico , sem que o átomo tenha sido atingido por um nêutron ou outra partícula como na fissão nuclear induzida. As fissões espontâneas liberam nêutrons como todas as fissões, portanto, se uma massa crítica estiver presente, uma fissão espontânea pode iniciar uma reação em cadeia autossustentável. Radioisótopos para os quais a fissão espontânea não é desprezível podem ser usados ​​como fontes de nêutrons. Por exemplo, califórnio -252 (meia-vida de 2,645 anos, razão de ramificação SF de cerca de 3,1 por cento ) pode ser usado para esta finalidade. Os nêutrons liberados podem ser usados ​​para inspecionar bagagens aéreas em busca de explosivos escondidos, para medir o teor de umidade do solo em rodovias e construções ou para medir a umidade de materiais armazenados em silos, por exemplo.

Desde que a fissão espontânea dê uma redução desprezível do número de núcleos que podem sofrer tal fissão, este processo pode ser aproximado como um processo de Poisson . Nessa situação, para intervalos de tempo curtos, a probabilidade de uma fissão espontânea é diretamente proporcional ao tempo.

A fissão espontânea do urânio-238 e do urânio-235 deixa rastros de danos na estrutura cristalina dos minerais que contêm urânio quando os fragmentos da fissão recuam através deles. Essas trilhas, ou trilhas de fissão , são a base do método de datação radiométrica denominado datação de trilhas de fissão .

Veja também

Notas

links externos