Fisión espontánea

fisión espontánea (FS) es una forma de desintegración radiactiva que se encuentra únicamente en elementos químicos muy pesados. La energía de enlace nuclear de los elementos alcanza su máximo con un número de masa atómica de aproximadamente 56 (p. ej., hierro-56); La descomposición espontánea en núcleos más pequeños y unas pocas partículas nucleares aisladas se hace posible a mayores números de masa atómica.

Historia

En 1908, los físicos entendieron que la desintegración alfa implicaba la eyección de núcleos de helio de un átomo en descomposición. Al igual que la desintegración de los cúmulos, la desintegración alfa no suele clasificarse como un proceso de fisión.

El primer proceso de fisión nuclear descubierto fue la fisión inducida por neutrones. Debido a que los rayos cósmicos producen algunos neutrones, era difícil distinguir entre eventos inducidos y espontáneos. Los rayos cósmicos pueden quedar protegidos de forma fiable mediante una gruesa capa de roca o agua. La fisión espontánea fue identificada en 1940 por los físicos soviéticos Georgy Flyorov y Konstantin Petrzhak mediante sus observaciones del uranio en la estación Dinamo del Metro de Moscú, a 60 metros (200 pies) bajo tierra.

Viabilidad

Elemental

La fisión espontánea ocurre durante tiempos de observación práctica sólo en nucleidos con un número de masa de al menos 232; Se trata de núcleos al menos tan pesados como el torio-232, que tiene una vida media algo más larga que la edad del universo. ²³²Th, ²³⁵U y ²³⁸U son nucleidos primordiales y han dejado evidencia de fisión espontánea en sus minerales.

Los elementos conocidos más susceptibles a la fisión espontánea son los actínidos y transactínidos sintéticos de alto número atómico con número atómico 100 en adelante.

Para el torio-232, el uranio-235 y el uranio-238 que se producen de forma natural, la fisión espontánea ocurre raramente, pero en la gran mayoría de la desintegración radiactiva de estos átomos, se produce en su lugar desintegración alfa o desintegración beta. Por lo tanto, la fisión espontánea de estos isótopos suele ser insignificante, excepto cuando se utilizan las relaciones de ramificación exactas para encontrar la radiactividad de una muestra de estos elementos, o en aplicaciones que son muy sensibles a números incluso minúsculos de neutrones de fisión (como el diseño de armas nucleares).).

Matemática

El modelo de gota de líquido predice aproximadamente que la fisión espontánea puede ocurrir en un tiempo lo suficientemente corto como para ser observada con los métodos actuales cuando

Z2/A.. 47.{displaystyle {hbox{Z}{2}/{hbox{A}approx 47.

donde Z es el número atómico y A es el número másico (por ejemplo, Z²/A = 36 para uranio-235). Sin embargo, ningún isótopo radiactivo conocido, excepto el oganesson-294, alcanza un valor de 47 (aproximadamente 47,36), ya que el modelo de gota de líquido no es muy preciso para los núcleos más pesados conocidos debido a los fuertes efectos de las capas.

Tasas de fisión espontánea

En la práctica, el ²³⁹Pu contiene invariablemente ²⁴⁰Pu debido a la tendencia del ²³⁹Pu a absorber un neutrón adicional durante la producción. ²⁴⁰La alta tasa de fisión espontánea del Pu lo convierte en un contaminante indeseable. El plutonio apto para armas no contiene más del 7,0 % de ²⁴⁰Pu.

La bomba atómica de tipo cañón, que rara vez se utiliza, tiene un tiempo de inserción crítico de aproximadamente un milisegundo, y la probabilidad de una fisión durante este intervalo de tiempo debería ser pequeña. Por lo tanto, sólo es adecuado ²³⁵U. Casi todas las bombas nucleares utilizan algún tipo de método de implosión.

La fisión espontánea puede ocurrir mucho más rápido cuando un núcleo sufre una superdeformación.

Proceso de Poisson

La fisión espontánea produce prácticamente el mismo resultado que la fisión nuclear inducida. Sin embargo, al igual que otras formas de desintegración radiactiva, se produce debido a un túnel cuántico, sin que el átomo haya sido golpeado por un neutrón u otra partícula como en la fisión nuclear inducida. Las fisiones espontáneas liberan neutrones como lo hacen todas las fisiones, por lo que si hay una masa crítica, una fisión espontánea puede iniciar una reacción en cadena autosostenida. Como fuentes de neutrones se pueden utilizar radioisótopos cuya fisión espontánea no es despreciable. Por ejemplo, para este fin se puede utilizar californio-252 (vida media 2,645 años; relación de ramificación SF 3,1%). Los neutrones liberados se pueden utilizar para inspeccionar el equipaje de los aviones en busca de explosivos ocultos, para medir el contenido de humedad del suelo en la construcción de carreteras y edificios, o para medir la humedad de materiales almacenados en silos, por ejemplo.

Siempre que la fisión espontánea produzca una reducción insignificante del número de núcleos que pueden sufrir dicha fisión, este proceso puede aproximarse estrechamente a un proceso de Poisson. En esta situación, durante intervalos de tiempo cortos, la probabilidad de una fisión es directamente proporcional al período de tiempo.

La fisión espontánea del uranio-238 y el uranio-235 deja rastros de daño en la estructura cristalina de los minerales que contienen uranio cuando los fragmentos de fisión retroceden a través de ellos. Estos rastros, o huellas de fisión, son la base del método de datación radiométrica llamado datación por huellas de fisión.