自发裂变（英语：Spontaneous fission）是一种放射性衰变，只发生于原子量高的化学元素。由于元素的核结合能在原子量约为58个原子质量单位（u）时最高，因此更高质量的原子核会自发性分解为较小的数个原子核，以及一些单独的核子。
由于裂变形成的产物原子核有限制，所以在一些原子量大于92原子质量单位（a.m.u）的原子核也理论上能够进行自发裂变，而其自发裂变的概率随着原子量的上升而增加。
理论上能够自发裂变的最轻自然核素为铌-93和钼-94（原子序分别为41和42）。在自然产生的铌和钼同位素中却没有观察到自发裂变。它们一般是稳定同位素（在贝塔衰变稳定等压线中，质量数A大于等于93的核素理论上都可以自发裂变（包括alpha衰变）。
时长允许观察的自发裂变只发生在原子量为232 a.m.u.或以上的原子核。其中最轻的同位素为钍-232，其半衰期大于宇宙的年龄。钍-232是仍存有进行自发裂变的证据的最轻原始核素。
已知元素中，最容易进行自发裂变的是高原子序的锕系元素中拥有奇数原子序的钔和铹，以及一些锕系后元素，如𬬻。
自然存在的铊、铀-235及铀-238虽然少有地发生自发裂变，但绝大多数时间进行α衰变或β衰变。因此这些同位素的自发裂变几乎可以忽略，只在使用衰变分支比计算元素的放射性时用到。
要计算一种原子核是否能自发裂变，并其发生时长足够短以允许现行方法进行观测，能用以下公式约算：
顾名思义，自发裂变产物与核裂变所产生的相同。但是正如其他形式的核衰变，自发裂变是由于量子隧穿效应，而不像核裂变般需中子或其他粒子进行撞击。自发裂变和核裂变一样产生中子，因此如果达到了临界质量，自发裂变能够初始自我维持的连锁反应。另外，明显发生自发裂变的放射性同位素能作为中子源。例如锎-252（半衰期2.645年，自发裂变分支比约为3.1%）便有此应用。所产生的中子能用以检查航空行李中是否藏有爆炸品，或测量高速公路及建筑物土质的湿度。
如果自发裂变所减少的原子核数量是可忽略的，那该过程能准确地模拟为泊松分布。在这种情况下，短时段内发生自发裂变的概率与时长大约成正比。
铀-238和铀-235自发衰变时，衰变碎片会在含铀矿物晶体结构中留下破坏的痕迹。这些痕迹称为“裂变径迹”，是放射性定年法中裂变径迹定年法的基础。
自发裂变率
自发裂变率：[2]
| 核素 | 半衰期 | 每次衰变的裂变概率 | 每次衰变的中子产数 | 每克每秒的中子产数 |
|---|---|---|---|---|
| 235U | 7.04x108年 | 7.0x10−11 | 1.86 | 1.0x10−5 |
| 238U | 4.47x109年 | 5.4x10−7 | 2.07 | 0.0136 |
| 239Pu | 2.41x104年 | 4.4x10−12 | 2.16 | 2.2x10−2 |
| 240Pu | 6569年 | 5.0x10−8 | 2.21 | 920 |
| 250Cm | 8300年 | 0.80 | ? | ? |
| 252Cf | 2.638年 | 3.09x10−2 | 3.73 | 2.3x1012 |
事实上239Pu无可避免地会含有一定量的240Pu，因为239Pu在制造时会吸收一颗额外的中子。因为240Pu有高自发裂变率，因此它是必须移除的污染物。武器级的钚样本中有不超过7.0%的240Pu。
甚少使用的枪型核弹的临界接入时间大约为1毫秒，而在这段时间内发生自发裂变的机会需要很小，所以只能使用235U。几乎所有核弹都用内爆法。
自发裂变在原子核进行超形变时会发生得更快。
历史
最先发现的裂变反应是由中子引发的裂变。由于宇宙射线能制造中子，所以很难区分由中子引致的裂变和自发裂变事件。用厚厚的一层岩石或水可以有效地遮蔽宇宙射线。自发裂变在1940年由苏联物理学家格奥尔基·弗廖罗夫和Konstantin Petrzhak[3][4]在观察莫斯科地铁Dinamo站中位于地下60米的铀时发现。[5]
参考资料
- ↑ Krane, Kenneth S. Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. 1988: 483–484 (Equation 13.3). ISBN 978-0-471-80553-3.
- ↑ Shultis, J. Kenneth; Richard E. Faw. Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. Marcel Dekker, Inc. 2002: 137 (table 6.2). ISBN 0-8247-0834-2.
- ↑ G. Scharff-Goldhaber and G. S. Klaiber. Spontaneous Emission of Neutrons from Uranium. Phys. Rev. 1946, 70 (3–4): 229–229. Bibcode:1946PhRv...70..229S. doi:10.1103/PhysRev.70.229.2.
- ↑ Igor Sutyagin: The role of nuclear weapons and its possible future missions
- ↑ K. Petrzhak: How the spontaneous fission was discovered (in Russian)
外部链接
The LIVEChart of Nuclides - IAEA with filter on spontaneous fission decay
