Phân hạch tự phát

Biểu đồ nuclide. Dưới: chia 3 phần để hiện rõ hơn.

Kiểu phân rã:

Không (đồng vị bền)       Phân rã beta       Phát xạ proton

Phát xạ neutron       Phân rã alpha       Phân hạch tự phát

•       Phát xạ positron hoặc bắt giữ electron

Phân hạch tự phát viết tắt là SF (Spontaneous fission) là một dạng phân rã phóng xạ chỉ được tìm thấy trong các yếu tố hóa học rất nặng. Năng lượng liên kết hạt nhân của các nguyên tố đạt cực đại tại hạt có số khối lượng nguyên tử khoảng 58. Phân hạch tự phát làm vỡ hạt nhân nặng thành nhiều hạt nhân nhỏ hơn, và một vài hạt hạt nhân cô lập có thể trở thành hạt với số khối lượng nguyên tử lớn hơn.

Do những hạn chế trong việc hình thành các hạt nhân sản phẩm phân hạch thứ cấp (sản phẩm con đẻ), phân hạch tự phát thành các hạt nhân đã biết, về mặt lý thuyết là có thể (có nghĩa là, có thể về mặt năng lượng) cho một số hạt nhân nguyên tử có khối lượng nguyên tử lớn hơn 92 đơn vị khối lượng nguyên tử (amu, atomic mass units), với xác suất của phân hạch tự phát tăng là tăng theo khối lượng nguyên tử ở trên giá trị này.

Chú ý rằng phân rã cụm (cluster decay) được coi là quá trình phân hạch tự phát siêu đối xứng ^[1], trong khí đó phân rã alpha lại không được tính vào phân hạch tự phát.

Lịch sử phát hiện

Georgy Flyorov trong tem Nga năm 2013

Khả năng phân hạch tự phát của urani đã được Niels Bohr và John Archibald Wheeler dự đoán đầu tiên vào năm 1939 ^[2].

Quá trình phân hạch hạt nhân đầu tiên được phát hiện là sự phân hạch gây ra bởi neutron. Song các tia vũ trụ mạnh có thể xuyên qua khí quyển đến được mặt đất, trong số đó có một số là neutron, nên để phân lập các nguyên nhân người ta tìm cách thí nghiệm ở sâu trong lòng đất, nơi coi là tin cậy được bảo vệ bởi một lớp dày của đá hoặc nước. Do vậy năm 1940 nhà vật lý Liên Xô Georgy Flyorov và Konstantin Petrzhak ^[3][4] đã thực hiện quan sát họ urani trong ga tàu điện ngầm Moskva Dinamo ở sâu 60 mét (200 ft) dưới lòng đất ^[5][6].

Đóng góp của Georgy Flyorov trong vật lý hạt nhân dẫn tới tên ông được đặt cho nguyên tố Z= 114 là Flerovi.

Hiện tượng

Trong tự nhiên những đồng vị thori và urani, ²³²Th, ²³⁴U, ²³⁵U và ²³⁸U, bên cạnh phân rã alpha chiếm ưu thế, thì cũng quan sát thấy xảy ra phân hạch tự phát tạo ra hai hạt nhân, kèm theo sự phát xạ thường là hai hay ba neutron. Hai phân hạch chủ yếu của Urani-238 được biểu diễn là:

${\displaystyle {}_{\ 92}^{238}\mathrm {U} \;{\xrightarrow {\mathrm {sf} }}\;{}_{\ 54}^{140}{\rm {Xe}}+{}_{38}^{96}\mathrm {Sr} +2\ {}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

${\displaystyle {}_{\ 92}^{238}\mathrm {U} \;{\xrightarrow {\mathrm {sf} }}\;{}_{\ 51}^{133}\mathrm {Sb} +{}_{\ 41}^{102}\mathrm {Nb} +3\ {}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

trong đó sf = spontaneous fission

Về mặt toán học, tiêu chí cho sự phân hạch tự phát có thể xảy ra trong một thời gian không dài đủ để được quan sát bằng các phương pháp hiện tại, là khoảng:

${\displaystyle {\hbox{Z}}^{2}/{\hbox{A}}\geq 47.}$^[7]

trong đó Z là số nguyên tử và A là số khối lượng. Ví dụ ${\displaystyle {\hbox{Z}}^{2}/{\hbox{A}}}$ = 36 cho urani-235.

Mức độ phân hạch tự phát

Mức độ phân hạch tự phát:^[8]

Spontaneous fission rates

Hạt nhân	Chu kỳ bán rã	Số phân hạch /phân rã	Số neutron /phân hạch	Số neutron /gram-second	Kỳ bán rã tự phát	Z^2/A
Urani-235	7.04×10^8 năm	2.0×10^−9	1.86	3.0×10^−4	3.5×10^17 năm	36.0
Urani-238	4.47×10^9 năm	5.4×10^−7	2.07	0.0136	8.4×10^15 năm	35.6
Plutoni-239	2.41×10^4 năm	4.4×10^−12	2.16	0.022	5.5×10^15 năm	37.0
Plutoni-240	6569 năm	5.0×10^−8	2.21	920	1.16×10^11 năm	36.8
Curi-250	6900 năm	0.61	3.31	1.6×10^10	N/A	36.9
Californi-252	2.638 năm	3.09×10^−2	3.73	2.3×10^12	N/A	38.1

Tham khảo

1. Dorin N Poenaru; và đồng nghiệp (1984). “Spontaneous emission of heavy clusters”. Journal of Physics G: Nuclear Physics. 10: L183–L189. Bibcode:1984JPhG...10L.183P. doi:10.1088/0305-4616/10/8/004.
2. N. Bohr, J. A. Wheeler: The Mechanism of Nuclear Fission. In: Physical Review. Vol. 56, Nr. 5, 1939, p. 426, doi:10.1103/PhysRev.56.426.
3. G. Scharff-Goldhaber and G. S. Klaiber (1946). “Spontaneous Emission of Neutrons from Uranium”. Phys. Rev. 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
5. K. Petrzhak: How the spontaneous fission was discovered (in Russian).
6. G. N. Flerov, K. A. Petrzhak, Journal of Physics (USSR) Bd. III, p. 275–280 (1940).
7. Krane, Kenneth S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. tr. 483–484 (Equation 13.3). ISBN 978-0-471-80553-3.
8. Shultis, J. Kenneth; Richard E. Faw (2008). Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. CRC Press. tr. 141 (table 6.2). ISBN 1-4200-5135-0.

Liên kết ngoài

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