Ορισμός και παραδείγματα αυθόρμητης σχάσης
Στη φυσική, η αυθόρμητη σχάση είναι ένας τύπος ραδιενεργής διάσπασης κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας χωρίζεται σε δύο περίπου ίσους μικρότερους πυρήνες, απελευθερώνοντας ενέργεια και συνήθως ένα ή περισσότερα νετρόνια. Η αυθόρμητη σχάση συμβαίνει μόνο σε βαρείς πυρήνες με ατομικό αριθμό (Ζ) μεγαλύτερο από 90. Αν και είναι σχετικά σπάνια συνολικά, είναι πιο συχνή στις ακτινίδες (π.χ. ουράνιο, πλουτώνιο, αμερίκιο) και βαριά συνθετικά στοιχεία (αριθμοί μάζας μεγαλύτεροι από 232) παρά σε ελαφρύτερα άτομα. Αυτά είναι ισότοπα τουλάχιστον τόσο βαριά όσο το θόριο-232.
Παράδειγμα
Ένα παράδειγμα αντίδρασης αυθόρμητης σχάσης είναι η διάσπαση του καλιφορνίου-252 σε ξένο-140 και ρουθήνιο-108, το οποίο απελευθερώνει επίσης 4 νετρόνια:
98 Πρβλ. → 54 Xe + 44 Ru + 4 0 n
Αυθόρμητη σχάση έναντι επαγόμενης σχάσης
Ο άλλος τύπος σχάσης είναι η επαγόμενη σχάση. Ενώ και οι δύο τύποι σχάσης δίνουν περίπου το ίδιο αποτέλεσμα, η επαγόμενη σχάση συμβαίνει όταν ένα νετρόνιο ή άλλο σωματίδιο χτυπά τον ατομικό πυρήνα. Αντίθετα, η αυθόρμητη σχάση συμβαίνει λόγω της κβαντικής σήραγγας. Επειδή η αυθόρμητη σχάση συνήθως απελευθερώνει νετρόνια, μπορεί να οδηγήσει σε επαγόμενη σχάση και σε αλυσιδωτή αντίδραση. Δεδομένου ότι η αυθόρμητη σχάση μπορεί να οδηγήσει σε μια αλυσιδωτή αντίδραση, είναι θέμα σχεδιασμού και ασφάλειας πυρηνικών όπλων, οδηγώντας τελικά στην εγκατάλειψη του σχεδιασμού τύπου όπλου που χρησιμοποιεί πλουτώνιο.
Μπορεί να είναι δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ αυθόρμητης και επαγόμενης σχάσης επειδή οι πηγές νετρονίων δεν είναι πάντα προφανείς. Για παράδειγμα, οι κοσμικές ακτίνες μερικές φορές περιλαμβάνουν νετρόνια. Η ανακάλυψη της αυθόρμητης σχάσης συνέβη το 1940 όταν οι Σοβιετικοί φυσικοί Georgy Flyorov και Konstantin Petrzhak εξέτασαν τη σχάση σε ουράνιο 60 μέτρα (200 πόδια) κάτω από τη γη.
Αυθόρμητη σχάση εναντίον Alpha Decay και Cluster Fission
Η διάσπαση άλφα, η αποσύνθεση συστάδων και η αυθόρμητη σχάση είναι σχετικές διαδικασίες που είναι όλοι οι τύποι ραδιενεργής διάσπασης. Ωστόσο, η αυθόρμητη σχάση χωρίζει τον πυρήνα σε περίπου ίσα θραύσματα, ενώ η διάσπαση του σμήνου απελευθερώνει ένα «σμήνος» πρωτονίων και νετρονίων και η διάσπαση άλφα απελευθερώνει έναν πυρήνα ηλίου δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων. Μερικές φορές η αποσύνθεση άλφα και συστάδας θεωρούνται ξεχωριστές διεργασίες, αλλά συνήθως η αποσύνθεση άλφα θεωρείται ότι είναι ο πιο κοινός τύπος διάσπασης συστάδων. Εν τω μεταξύ, η αυθόρμητη και η επαγόμενη σχάση είναι τύποι δυαδικής σχάσης επειδή σπάζουν τον πυρήνα σε δύο συγκρίσιμα κομμάτια.
Ορισμένα στοιχεία αποσυντίθενται μέσω πολλαπλών διεργασιών. Για παράδειγμα, το σχέδιο διάσπασης του ουρανίου-238 περιλαμβάνει τόσο τη διάσπαση άλφα όσο και την αυθόρμητη σχάση.
Ρυθμοί αυθόρμητης σχάσης
Η αυθόρμητη σχάση δεν είναι συνηθισμένο γεγονός και η συχνότητά της ποικίλλει μεταξύ διαφορετικών ισοτόπων. Για παράδειγμα, το ουράνιο-238 υφίσταται διάσπαση άλφα με χρόνο ημιζωής περίπου 10 χρόνια, αλλά ο χρόνος ημιζωής της διάσπασής του μόνο από αυθόρμητη σχάση είναι της τάξης των 10 ετών. Ο ρυθμός της αυθόρμητης σχάσης στο πλουτώνιο-239 είναι περίπου 300 φορές υψηλότερος από τον ρυθμό του στο ουράνιο-235. Το Curium-250 και το Californium-253 υφίστανται εύκολα αυθόρμητη σχάση.
| Νουκλίδιο | Ημιζωή (έτη) | Ρυθμός σχάσης (% των φθορών) | Νετρόνια ανά σχάση | Αυθόρμητη μισή ζωή | Ω/Α |
|---|---|---|---|---|---|
| U | 7,04×10 | 2,0×10 | 1,86 | 3,5×10 χρόνια | 36.0 |
| U | 4,47×10 | 5,4×10 | 2.07 | 8,4×10 χρόνια | 35.6 |
| Pu | 24100 | 4,4×10 | 2.16 | 5,5×10 χρόνια | 37.0 |
| Pu | 6569 | 5,0×10 | 2.21 | 1,16×10 χρόνια | 36.8 |
| cm | 8300 | ~74 | 3.31 | 1,12×10 έτη | 36,9 |
| Cf | 2,65 | 3.09 | 3.73 | 85,7 χρόνια | 38.1 |
Κομμάτια σχάσης
Όταν συμβαίνει αυθόρμητη σχάση στο ουράνιο-235 και το ουράνιο-238, οι ορυκτές κρύσταλλοι εμφανίζουν ίχνη ζημιάς από την πρόσκρουση των θραυσμάτων σχάσης. Τα μονοπάτια ονομάζονται ίχνη σχάσης. Η μελέτη των ιχνών σχάσης βοηθά τους ερευνητές να πραγματοποιήσουν έναν τύπο ραδιομετρικής χρονολόγησης που ονομάζεται χρονολόγηση τροχιών σχάσης.
Αναφορές
- Krane, Kenneth S. (1988). Εισαγωγική Πυρηνική Φυσική . John Wiley &Sons. ISBN 978-0-471-80553-3.
- Scharff-Goldhaber, G.; Klaiber, G. S. (1946). «Αυθόρμητη εκπομπή νετρονίων από ουράνιο». Φυσ. Αναθ . 70 (3–4):229. doi:10.1103/PhysRev.70.229.2
- Shultis, J. Kenneth; Faw, Richard E. (2008). Βασικές αρχές της Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής . Τύπος CRC. ISBN 978-1-4200-5135-3.
