La fisión espontánea (FE) es una forma de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros. A diferencia de la fisión inducida , no hay ninguna partícula que provoque la desintegración; se trata de un proceso puramente probabilístico.
La fisión espontánea es un modo de desintegración dominante para los elementos superpesados , y la estabilidad nuclear generalmente disminuye a medida que aumenta la masa nuclear. Por lo tanto, constituye un límite práctico para el número de nucleones de los elementos pesados. Los nucleidos más pesados pueden crearse instantáneamente mediante procesos físicos, tanto naturales (a través del proceso r ) como artificiales, aunque se desintegran rápidamente en nucleidos más estables. Como tal, aparte de pequeñas ramas de desintegración en radionucleidos primordiales, la fisión espontánea no se observa en la naturaleza.
Las vidas medias de fisión observadas varían entre 4,1 microsegundos (250
102No
) mayor que la edad actual del universo (232
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). [1] : 16
Tras el descubrimiento de la fisión inducida por Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, los físicos soviéticos Georgy Flyorov y Konstantin Petrzhak comenzaron a realizar experimentos para explorar los efectos de la energía de los neutrones incidentes en los núcleos de uranio. Su equipo registró fragmentos de fisión incluso cuando no había neutrones presentes para inducir la desintegración, y el efecto persistió incluso después de que el equipo se trasladó 60 metros bajo tierra en los túneles de la estación Dinamo del metro de Moscú en un esfuerzo por aislarlo de los efectos de los rayos cósmicos . El descubrimiento de la fisión inducida en sí había sido una sorpresa, y no se conocía ningún otro mecanismo que pudiera explicar las desintegraciones observadas. Tal efecto solo podía explicarse por la fisión espontánea de los núcleos de uranio sin influencia externa. [2]
La fisión espontánea surge como resultado de la competencia entre las propiedades atractivas de la fuerza nuclear fuerte y la repulsión coulombiana mutua de los protones constituyentes. La energía de enlace nuclear aumenta en proporción al número de masa atómica (A), sin embargo, la repulsión coulombiana aumenta con el número de protones (Z) al cuadrado. Por lo tanto, a masas y números de protones altos, la repulsión coulombiana supera a las fuerzas de enlace nuclear, y el núcleo es energéticamente más estable como dos fragmentos separados que como un solo sistema ligado. [3] : 478–9
La fisión espontánea suele ser un proceso lento, ya que el núcleo no puede simplemente saltar al estado de menor energía (dividido). En lugar de ello, debe atravesar una barrera de potencial, con una probabilidad determinada por la altura de la barrera. Dicha barrera es energéticamente posible para todos los A ≥ 93, aunque su altura generalmente disminuye con el aumento de Z, [3] : 433 y la fisión solo se observa en la práctica para A ≥ 232. [4]
La estabilidad de un nucleido frente a la fisión se expresa como la relación entre la energía de Coulomb y la energía superficial, que puede estimarse empíricamente como el parámetro de fisión, x: con y . [5] : 3 Para núcleos ligeros, x es pequeño y existe una barrera de fisión considerable. A medida que aumenta la masa nuclear, también lo hace el parámetro de fisión, que finalmente se acerca y supera la unidad , donde la estabilidad frente a la fisión se pierde por completo. [6] : 4
Los efectos de capa y de apareamiento de nucleones pueden afectar aún más las vidas medias observadas. La desintegración de los nucleidos A impares se ve obstaculizada entre 3 y 5 órdenes de magnitud en comparación con la de los nucleidos par-par. [7] : 4 Se espera que la barrera a la fisión sea cero alrededor de A = 300, aunque puede existir una isla de estabilidad centrada alrededor de Z = 114, N = 184. [3] : 481–2
Hasta la fecha, no son posibles verdaderos modelos ab initio que describan el proceso completo de fisión. [7] : 3 Se han desarrollado teorías computacionales basadas en enfoques de teoría de Hartree-Fock o funcional de la densidad , sin embargo, la complejidad computacional dificulta reproducir el comportamiento completo. [1] : 35 El modelo de gota de líquido semiclásico proporciona una descripción principalmente cualitativa de la fenomenología al tratar el núcleo como una gota clásica de líquido a la que se pueden aplicar correcciones cuánticas, lo que proporciona una imagen conceptual útil que coincide en parte con los datos experimentales, pero ignora gran parte de la naturaleza cuántica del sistema y falla en predicciones más rigurosas.
En este modelo, al igual que con una gota de líquido clásica, se introduce un término de " tensión superficial " que promueve la forma esférica del núcleo. Actuando en oposición está el término de repulsión coulombiana, que actúa para aumentar la distancia entre los pares de protones que se repelen y, por lo tanto, promueve la elongación del núcleo en una forma ovalada. [5] : 3 A medida que aumenta la deformación del núcleo, y particularmente para núcleos grandes debido a su repulsión coulombiana más fuerte, el núcleo puede encontrarse en un estado donde se desarrolla un "cuello" delgado, formando un puente entre dos grupos de materia nuclear que puede exceder la capacidad de la tensión superficial para restaurar la forma no deformada, rompiéndose finalmente en dos fragmentos en el "punto de escisión". [1] : 15 Introduciendo los efectos del efecto túnel cuántico, el núcleo siempre tiene una posibilidad de escisión que aumenta con el aumento de la deformación, y puede hacerlo incluso si la deformación es insuficiente para provocar la ruptura del cuello. Después de la separación, ambos fragmentos tienen una carga altamente positiva y, por lo tanto, ganan energía cinética significativa a través de su repulsión mutua a medida que se aceleran alejándose uno del otro.
Los isómeros de forma (también llamados isómeros de fisión ) son estados nucleares excitados existentes antes de la escisión que pueden desviarse de la geometría esférica, aumentando la deformación nuclear en comparación con el estado fundamental sin sufrir una fisión completa. Estos estados son "metaestables": un núcleo en este estado puede, en escalas de tiempo entre nanosegundos y microsegundos, decaer de nuevo al estado fundamental mediante emisión gamma, o atravesar la barrera de escisión y romperse. Si el núcleo se encuentra en este estado, ya sea mediante tunelización cuántica o mediante fluctuación estadística aleatoria, la barrera para la fisión se reduce mucho, ya que los isómeros de forma siempre están a un nivel de energía más alto que el estado fundamental y, por lo tanto, ya no es necesario que atraviesen toda la barrera. La mayor probabilidad resultante de fisión reduce la vida media efectiva del nucleido. [3] : 494–7 Se han sugerido barreras de triple joroba para algunas especies nucleares, como228
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, reduciendo aún más su vida media observada. [8]
Los fragmentos de fisión suelen ser ricos en neutrones y siempre se generan en estados excitados. [1] : 3 Por lo tanto, las desintegraciones hijas ocurren rápidamente después de la escisión. Las desintegraciones que ocurren dentro de los 10 −13 s de la escisión se denominan "rápidas" y están dominadas inicialmente por una serie de emisiones de neutrones que siguen siendo el modo de desintegración dominante hasta que la energía del fragmento se reduce al mismo orden de magnitud que la energía de separación de los neutrones (aproximadamente7 MeV ), cuando la emisión de fotones se vuelve competitiva. Por debajo de la energía de separación de neutrones, la emisión gamma es dominante, caracterizada por un espectro desordenado de energías gamma con picos característicos de baja energía correspondientes a desintegraciones específicas a medida que la hija desciende por la línea yrast , [1] : 53–4 cada desintegración se lleva el exceso de momento angular. [6] : 8 La emisión gamma inmediata total promedio es un 30% mayor en el fragmento más ligero en comparación con el más pesado, lo que implica que el fragmento más pesado se crea con un momento angular inicial más alto. [6] : 19 Finalmente, la conversión interna y la emisión de rayos X completan las emisiones inmediatas. [1] : 53–4 Los productos hijos creados por desintegraciones inmediatas a menudo son inestables frente a la desintegración beta, y también se esperan más emisiones de fotones y neutrones. Estas emisiones se denominan "emisiones retardadas" y tienen lugar con vidas medias que van desde picosegundos a años. [1] : 3
Como resultado de la gran cantidad de vías de desintegración que se presentan en un núcleo en fisión, existe una gran variación en los productos finales. Las masas de los fragmentos se distribuyen normalmente en torno a dos picos centrados en A ≈ 95 y A ≈ 140. [3] : 484 La fisión espontánea no favorece a los fragmentos de igual masa, y no se ha encontrado una explicación convincente para esto. [3] : 484 En casos raros (0,3 %), se pueden crear tres o más fragmentos de fisión. [9] Los productos ternarios suelen ser partículas alfa, aunque pueden ser tan masivos como los núcleos de oxígeno. [1] : 46
La liberación total de energía en todos los productos es aproximadamente200 MeV , [5] : 4 observado principalmente como energía cinética de los fragmentos de fisión, con el fragmento más ligero recibiendo la mayor proporción de energía. [3] : 491–2 Para una ruta de desintegración dada, el número de neutrones emitidos no es consistente, y en su lugar sigue una distribución gaussiana. La distribución sobre el promedio, sin embargo, es consistente en todas las rutas de desintegración. [3] : 486 Los neutrones rápidos se emiten con energías aproximadas por (pero no precisamente ajustadas) a una distribución de Maxwell , [6] : 17–8 con un pico entre 0,5 y 1 MeV, con una energía promedio de2 MeV y energía máxima de aproximadamente10 MeV . [10] : 4–5 La emisión gamma inmediata constituye otros 8 MeV, mientras que la desintegración beta y las gammas retardadas contribuyen con otros 8 MeV.19 MeV y7 MeV respectivamente. [3] : 492 Menos del 1% de los neutrones emitidos se emiten como neutrones retardados. [11]
La aplicación más común de la fisión espontánea es como fuente de neutrones para su uso posterior. Estos neutrones pueden utilizarse para aplicaciones como la obtención de imágenes de neutrones o pueden impulsar reacciones nucleares adicionales, incluida la iniciación de la fisión inducida de un objetivo, como es habitual en los reactores nucleares y las armas nucleares .
En los cristales que contienen altas proporciones de uranio, los productos de fisión generados por fisión espontánea producen estelas de daño a medida que los fragmentos retroceden a través de la estructura cristalina. El número de estelas, o pistas de fisión, se puede utilizar para estimar la edad de una muestra mediante la datación por pistas de fisión .
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