Спонтанное деление

Физическая природа спонтанного деления

Спонтанное деление — один из видов радиоактивного распада, при котором нестабильное тяжёлое или сверхтяжёлое атомное ядро самопроизвольно распадается на два (реже — на три) ядра меньших масс с сопутствующим испусканием нескольких нейтронов. Этот процесс не требует внешнего воздействия и происходит за счёт квантово-механического туннелирования через потенциальный барьер, разделяющий однородную форму ядра и систему из двух фрагментов.

В отличие от других типов радиоактивности (альфа- и бета-распада), в спонтанном делении энергия распада распределяется между двумя массивными фрагментами и несколькими нейтронами. Это делает спонтанное деление наиболее энергичным видом ядерного распада — высвобождаемая энергия может достигать 200 МэВ.

Историческая справка и открытие

Спонтанное деление было теоретически предсказано в 1939 году Георгием Флёровым и Константином Петржаком и экспериментально обнаружено ими же в 1940 году при наблюдении деления урана-238. До этого считалось, что деление возможно только при внешнем возбуждении, например, нейтронами. Работы Флёрова и Петржака стали важным этапом в развитии ядерной физики, особенно в изучении устойчивости тяжёлых и сверхтяжёлых элементов.

Механизм процесса

С точки зрения квантовой теории, спонтанное деление — это туннелирование волновой функции ядра через потенциальный барьер, образованный сочетанием кулоновского отталкивания между протонами и ядерного притяжения между всеми нуклонами. Если потенциальный барьер достаточно тонкий и высокий, вероятность туннелирования мала, но не равна нулю, что и определяет очень длительное среднее время жизни ядер, подверженных этому виду распада.

Рассматриваем ядро как деформируемую жидкую каплю. При достижении определённой деформации кулоновское отталкивание может преодолеть поверхностное натяжение, удерживающее каплю, и капля разделится на две части. Энергетически выгодная конфигурация двух фрагментов и нескольких нейтронов возникает, когда общая энергия системы после деления ниже исходной энергии ядра.

Основные характеристики процесса

Выход нейтронов: Спонтанное деление сопровождается испусканием в среднем от 2 до 4 нейтронов на акт деления. Количество нейтронов зависит от массы делящегося ядра и асимметрии деления.
Распределение фрагментов: Массовое распределение продуктов деления обычно асимметрично. Например, при делении урана-238 характерное деление происходит с образованием фрагментов массами около 95 и 140. Симметричное деление встречается реже.
Энергия деления: Освобождаемая энергия — сумма кинетических энергий фрагментов и нейтронов, а также энергия, уносимая γ-квантами. Примерно 170–200 МэВ выделяется при каждом акте деления.
Время жизни: Вероятность спонтанного деления чрезвычайно мала для лёгких и средних ядер, но резко возрастает с увеличением атомного номера. Например, урана-238 период полураспада по этому каналу ~10¹⁶ лет, тогда как для калифорния-252 — порядка нескольких лет.

Ядерная стабильность и конкуренция каналов распада

Спонтанное деление начинает конкурировать с альфа-распадом и становится доминирующим каналом распада при Z > 100. Причина — резкое усиление кулоновского отталкивания, пропорционального Z², которое делает ядро более подверженным делению. Для ядер с чётным числом протонов и нейтронов вероятность деления выше, чем для нечётных ядер, из-за меньшего вклада энергии спаривания в стабилизацию.

Для описания стабильности используют так называемый параметр делимости:

Z²/A

При превышении критического значения (~47), вероятность спонтанного деления возрастает экспоненциально.

Теоретические модели

Спонтанное деление рассматривается в рамках:

Модели жидкой капли, которая описывает макроскопические свойства ядра, включая деформации и поверхностную энергию. Она применима к оценке потенциального барьера и энергетики деления.
Микроскопических моделей, включая оболочечную модель и методы Хартри — Фока — Боголюбова. Они учитывают индивидуальные квантовые состояния нуклонов и позволяют уточнять предсказания по вероятностям деления.
Динамических моделей, описывающих эволюцию формы ядра от исходной конфигурации к разделению на фрагменты, с учетом вязкости и коллективных степеней свободы.

Примеры ядер, подверженных спонтанному делению

Калифорний-252 (²⁵²Cf): наиболее известный источник спонтанного деления, широко применяется в прикладной физике. Вероятность деления составляет около 3% от всех распадов, остальное — α-распад. Выделяет ~3,7 нейтрона на деление.
Фермий-256, Кюрий-250, Нобелий-254 и другие актиноиды и трансурановые элементы обладают высокой склонностью к делению. В сверхтяжёлой области (Z > 110) наблюдаются исключительно короткие времена жизни по этому каналу.

Роль нейтронов в цепных реакциях

Хотя спонтанное деление происходит редко, испускаемые при нём нейтроны могут инициировать цепную реакцию деления в делящихся материалах, таких как ²³⁵U или ²³⁹Pu. Поэтому при проектировании ядерных реакторов и особенно при хранении ядерного топлива необходимо учитывать спонтанный нейтронный фон как потенциальный источник самопроизвольного запуска реакции.

Экспериментальные методы регистрации

Для изучения спонтанного деления применяются:

Фотопластинки и камеры ионизации, фиксирующие треки фрагментов.
Детекторы нейтронов (³He, BF₃, сцинтилляторы), регистрирующие нейтроны, испускаемые при делении.
Масс-спектрометрия продуктов деления и γ-спектроскопия.
Секционные детекторы с временным разрешением для изучения корреляций между фрагментами.

Применения и практическое значение

Калифорний-252 используется в источниках нейтронов для активационного анализа, нейтронографии, контроля качества сварных швов и безопасности на границах (нейтронные сканеры).
Исследование свойств сверхтяжёлых элементов и границ устойчивости ядер.
Разработка ядерных зарядов: понимание спонтанного деления критически важно при расчётах надежности и безопасности, особенно для плутониевых зарядов.

Связь с фундаментальными вопросами

Процесс спонтанного деления отражает глубокую связь между квантовыми эффектами и коллективной динамикой ядерной материи. Его изучение позволяет:

Понять пределы существования атомных ядер;
Проверять и уточнять ядерные модели;
Исследовать туннельные переходы в многомерных системах;
Определять свойства нуклон-нуклонных взаимодействий при экстремальных условиях.

Спонтанное деление — яркий пример того, как коллективное поведение сложной квантовой системы приводит к макроскопически наблюдаемому явлению, и остаётся одним из ключевых процессов в области ядерной физики тяжёлых элементов.