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自発核分裂（SF）は、重い原子核が2つ以上の軽い原子核に分裂する放射性崩壊の一種です。誘導核分裂とは対照的に、崩壊を誘発する刺激粒子は存在せず、純粋に確率的なプロセスです。
自発的核分裂は超重元素の主要な崩壊モードであり、核の質量が増加するにつれて核の安定性は一般的に低下する。したがって、これは重元素の核子数の実質的な制限を形成する。より重い核種は、自然（r過程経由）および人工の物理的プロセスによって瞬時に生成される可能性があるが、より安定した核種に急速に崩壊する。そのため、原始放射性核種の小さな崩壊分岐を除いて、自然界では自発的核分裂は観察されない。
観測された核分裂半減期は4.1マイクロ秒（250
102いいえ
）は現在の宇宙の年齢（232
90の
）。[1] : 16
歴史
1938年にオットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンが誘導核分裂を発見した後、ソ連の物理学者ゲオルギー・フリョロフとコンスタンチン・ペトルジャクは、入射中性子エネルギーがウラン原子核に与える影響を調べる実験を始めた。彼らの装置は、崩壊を誘発する中性子が存在しない場合でも核分裂片を記録し、宇宙線の影響から装置を隔離するためにモスクワ地下鉄ディナモ駅のトンネルの地下60メートルに移動した後も、その影響は持続した。誘導核分裂の発見自体は驚きであり、観察された崩壊を説明できる他のメカニズムは知られていなかった。そのような効果は、外部の影響なしのウラン原子核の自発的核分裂によってのみ説明できる。[2]
機構
自発核分裂は、強い核力の引力と構成陽子の相互クーロン反発力の競合の結果として生じる。核結合エネルギーは原子質量数(A) に比例して増加するが、クーロン反発力は陽子数(Z) の 2 乗で増加する。したがって、質量と陽子数が大きい場合、クーロン反発力が核結合力を上回り、核は 2 つの別々の断片としての方が単一の結合システムよりもエネルギー的に安定する。[3] : 478–9
自発的核分裂は、原子核が単純に低エネルギー（分裂）状態にジャンプすることはできないため、通常はゆっくりとしたプロセスです。その代わりに、ポテンシャル障壁をトンネルで通過する必要があり、その確率は障壁の高さによって決まります。このような障壁は、A ≥ 93 のすべての場合にエネルギー的に可能ですが、その高さは一般に Z が増加するにつれて減少します。[3] : 433 で あり、核分裂はA ≥ 232でのみ実際に観察されます。[4]
核種の核分裂に対する安定性は、クーロンエネルギーと表面エネルギーの比として表され、これは経験的に核分裂性パラメータ x として推定 できます。 ここで、および です。[5] : 3 軽い核の場合、xは小さく、大きな核分裂障壁が存在します。核質量が増加すると、核分裂性パラメータも増加し、最終的には1に近づき、それを超え、核分裂に対する安定性が完全に失われます。[6] : 4
殻効果と核子対効果は、観測される半減期にさらに影響を及ぼす可能性がある。奇数A核種の崩壊は、偶数-偶数核種と比較して3～5桁遅くなる。[7] : 4 核分裂障壁はA = 300付近でゼロになると予想されるが、 Z = 114、N = 184付近に安定領域が存在する可能性がある。 [3] : 481–2
現在まで、完全な核分裂過程を記述する真の第一原理モデルは不可能である。[7] : 3 ハートリー・フォック法や密度汎関数理論アプローチに基づく計算理論が開発されているが、計算の複雑さにより完全な挙動を再現することは困難である。[1] : 35 半古典的な液滴モデルは、原子核を量子補正を適用できる古典的な液滴として扱うことで、主に現象の定性的な記述を提供し、実験データと部分的に一致する有用な概念図を提供するが、システムの量子的性質の多くを無視し、より厳密な予測に失敗している。
このモデルでは、古典的な液滴と同様に、核の球形化を促進する「表面張力」項が導入されています。これと反対に働くのがクーロン反発項で、反発する陽子対間の距離を広げるように働き、核が楕円形に伸びるのを促進します。 [5] : 3 核の変形が進むにつれて、特に大きな核ではクーロン反発が強いため、核は薄い「首」が発達した状態になり、2 つの核物質クラスターの間に橋が形成され、表面張力が変形前の形状を復元する能力を超え、最終的に「切断点」で 2 つの破片に分裂することがあります。[1] : 15 量子トンネル効果を導入すると、核は常に切断の機会を持ち、変形が進むにつれて切断の機会が増え、首の破裂を引き起こすほどの変形がない場合でも切断される可能性があります。分離後、両方の破片は高い正電荷を帯びるため、互いの反発によって加速しながら大きな運動エネルギーを獲得します。
形状異性体（核分裂異性体とも呼ばれる）は、分裂前に存在する励起核状態であり、球形から逸脱する可能性があり、完全な核分裂を経ずに基底状態と比較して核変形が増加する。これらの状態は「準安定」であり、この状態の核は、ナノ秒からマイクロ秒の時間スケールで、ガンマ線放出によって基底状態に崩壊するか、または分裂障壁をトンネルして分裂する可能性がある。量子トンネル効果またはランダムな統計的変動のいずれかによって核がこの状態になると、形状異性体は常に基底状態よりも高いエネルギーレベルにあるため、障壁全体をトンネルする必要がなくなるため、核分裂の障壁が大幅に減少する。その結果、核分裂の確率が増加するため、核種の有効半減期が短縮される。[3] : 494–7 三峰障壁は、次のようないくつかの核種に示唆されている。228
90の
観測された半減期はさらに短くなる。[8]
製品
核分裂片は通常、中性子に富み、常に励起状態で生成される。[1] : 3 そのため、娘核崩壊は分裂後急速に起こる。分裂後10 −13秒以内に起こる崩壊は「即発的」崩壊と呼ばれ、最初は一連の中性子放出が支配的であり、断片エネルギーが中性子分離エネルギーと同じ桁（およそ7 MeV）を超えると、光子放出が競合するようになる。中性子分離エネルギー以下では、ガンマ放出が優勢となり、ガンマエネルギーの無秩序なスペクトルを特徴とし、娘核がイラストラインに沿って下降するにつれて、特定の崩壊に対応する特徴的な低エネルギーピークを伴う。[ 1] : 53–4 それぞれの崩壊で余分な角運動量が運び去られる。[6] : 8 平均総即発ガンマ放出は、より軽いフラグメントの方が重いフラグメントよりも 30% 高く、これは、より重いフラグメントがより高い初期角運動量で生成されることを意味している。[6] : 19 最後に、内部転換と X 線放出によって即発放出が完了する。[1] : 53–4 即発崩壊によって生成される娘核生成物は、ベータ崩壊に対して不安定であることが多く、さらなる光子および中性子放出も予想される。このような放出は「遅延放出」と呼ばれ、半減期はピコ秒から数年に及ぶ。[1] : 3
核分裂核には多数の崩壊経路があるため、最終生成物には大きなばらつきがある。フラグメントの質量は通常、A ≈ 95 とA ≈ 140 を中心とする 2 つのピークの周りに分布している。 [3] : 484 自発核分裂では質量の等しいフラグメントは生成されにくく、これを説明する説得力のある説明は見つかっていない。[3] : 484 まれに (0.3%)、3 つ以上の核分裂フラグメントが生成されることがある。[9]三元生成物は通常アルファ粒子であるが、酸素原子核と同じくらいの質量になることもある。[1] : 46
すべての製品における総エネルギー放出量はおよそ200 MeV、[5] : 4 は 主に核分裂片の運動エネルギーとして観測され、軽い核分裂片がより大きな割合のエネルギーを受け取る。[3] : 491–2 与えられた崩壊経路では、放出される中性子の数は一定ではなく、ガウス分布に従います。ただし、平均の分布はすべての崩壊経路にわたって一定です。[3] : 486 即発中性子は、マクスウェル分布に近似した（ただし正確には当てはまらない）エネルギーで放出され、[6] : 17–8 ピークは0.5 MeVから1 MeVの間で、平均エネルギーは2 MeV、最大エネルギーは約10 MeV。[10] : 4–5 即発ガンマ線放出がさらに8 MeVを占め、ベータ崩壊と遅延ガンマ線がさらに19MeVとそれぞれ7MeVである。[3] : 492 放出された中性子の1%未満が遅延中性子として放出される。[11]
アプリケーション
自発核分裂の最も一般的な用途は、さらなる利用のための中性子源としてです。これらの中性子は、中性子イメージングなどの用途に使用したり、原子炉や核兵器で一般的に行われているように、標的の誘導核分裂を開始するなど、追加の核反応を引き起こしたりすることがあります。
ウランを高濃度に含む結晶では、自発核分裂によって生成された核分裂生成物が、破片が結晶構造を跳ね返る際に損傷跡を残します。この跡の数、つまり核分裂飛跡は、核分裂飛跡年代測定によってサンプルの年代を推定するのに使用できます。
自発核分裂率
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参照
注記
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- ^ abc Schunck, N; Robledo, LM (2016年11月1日). 「核分裂の微視的理論：レビュー」.物理学の進歩に関する報告. 79 (11). arXiv : 1511.07517 . Bibcode :2016RPPh...79k6301S. doi :10.1088/0034-4885/79/11/116301. PMID 27727148.
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- ^ periodictable.com のエントリー
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外部リンク
IAEAの核種のライブチャート（自発核分裂崩壊フィルター付き）