La fisión espontánea (FS) es una forma de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros. En comparación con la fisión inducida , no hay ninguna partícula que desencadene la desintegración, es 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 tanto, forma un límite práctico para el número de nucleones de elementos pesados. Los nucleidos más pesados pueden crearse instantáneamente mediante procesos físicos, tanto naturales (a través del proceso r ) como artificiales, aunque se descomponen rápidamente en nucleidos más estables. Como tal, aparte de pequeñas ramas de desintegración en los radionucleidos primordiales, no se observa fisión espontánea en la naturaleza.
Las vidas medias de fisión observadas oscilan entre 4,1 microsegundos (250
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) a 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 neutrones incidente 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 fue trasladado 60 metros bajo tierra dentro de 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 fue una sorpresa y no se conocía ningún otro mecanismo que pudiera explicar las desintegraciones observadas. Tal efecto sólo podría 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 de atracción de la fuerza nuclear fuerte y la repulsión coulómbica mutua de los protones constituyentes. La energía de enlace nuclear aumenta en proporción al número de masa atómica (A), sin embargo, la repulsión coulómbica aumenta con el número de protones (Z) al cuadrado. Por lo tanto, con una masa y un número de protones elevados, la repulsión coulómbica domina a las fuerzas de unión nuclear, y el núcleo es energéticamente más estable como dos fragmentos separados que como un solo sistema unido. [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 potencial, con una probabilidad determinada por la altura de la barrera. Tal barrera es energéticamente posible para todos los A ≥ 93, aunque su altura generalmente disminuye al aumentar Z, [3] : 433 y la fisión sólo 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 fisilidad, x:
Los efectos de caparazón y los efectos de emparejamiento de nucleones pueden afectar aún más las vidas medias observadas. Las desintegraciones de los nucleidos A impares se ven obstaculizadas por 3 a 5 órdenes de magnitud en comparación con los nucleidos pares-pares. [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 de fisión completo. [7] : 3 Se han desarrollado teorías computacionales basadas en Hartree-Fock o enfoques de la teoría funcional de la densidad , sin embargo, la complejidad computacional dificulta la reproducción completa del comportamiento. [1] : 35 El modelo semiclásico de gota de líquido proporciona una descripción principalmente cualitativa de la fenomenología al tratar el núcleo como una gota de líquido clásica a la que se pueden aplicar correcciones cuánticas, lo que proporciona una imagen conceptual útil que coincide en parte con la experimental. datos, pero ignora gran parte de la naturaleza cuántica del sistema y falla en predicciones más rigurosas.
En este modelo, al igual que en una gota de líquido clásica, se introduce un término de " tensión superficial " que favorece la forma esférica del núcleo. Actuando en oposición está el término de repulsión coulómbica, que actúa para aumentar la distancia entre los pares de protones repelentes y, por lo tanto, promueve el alargamiento del núcleo hacia una forma ovalada. [5] : 3 A medida que aumenta la deformación del núcleo, y particularmente en el caso de núcleos grandes debido a su mayor repulsión coulómbica, el núcleo puede encontrarse en un estado en el que se desarrolla un 'cuello' delgado, formando un puente entre dos grupos de materia nuclear. lo 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 Al introducir los efectos de la tunelización cuántica, el núcleo siempre tiene la posibilidad de escindirse, lo que aumenta al aumentar 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 muy positiva y, por lo tanto, ganan una 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 que existen antes de la escisión y 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, volver a desintegrarse al estado fundamental mediante emisión gamma o atravesar la barrera de escisión y romperse. Si el núcleo se encuentra en este estado, ya sea a través de un túnel cuántico o mediante una fluctuación estadística aleatoria, la barrera para la fisión se reduce mucho, ya que los isómeros de forma siempre tienen un nivel de energía más alto que el estado fundamental y, por lo tanto, ya no es necesario que hagan un túnel a través de él. toda la barrera. El aumento resultante de la probabilidad 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" e inicialmente están dominadas 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 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 angular impulso. [6] : 8 La emisión gamma inmediata total promedio es un 30% mayor en el fragmento más liviano 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 rápidas suelen ser inestables frente a la desintegración beta, y también se esperan más emisiones de fotones y neutrones. Estas emisiones se denominan "emisiones retardadas" y tienen vidas medias que van desde picosegundos hasta años. [1] : 3
Como resultado del gran número 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 alrededor de dos picos centrados en A ≈ 95 y A ≈ 140. [3] : 484 La fisión espontánea no favorece los fragmentos de igual masa y no se ha encontrado ninguna explicación convincente para explicar 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 se observa principalmente como energía cinética de los fragmentos de fisión, siendo el fragmento más ligero el que recibe la mayor proporción de energía. [3] : 491–2 Para una ruta de desintegración determinada, el número de neutrones emitidos no es consistente y, en cambio, sigue una distribución gaussiana. Sin embargo, la distribución respecto del promedio es consistente en todas las trayectorias de decaimiento. [3] : 486 Los neutrones rápidos se emiten con energías aproximadas (pero no ajustadas con precisión) 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 los gammas retardados 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 uso posterior. Estos neutrones pueden usarse para aplicaciones como imágenes de neutrones , o pueden impulsar reacciones nucleares adicionales, incluido el inicio de la fisión inducida de un objetivo, como es común en los reactores nucleares y las armas nucleares .
En cristales que contienen altas proporciones de uranio, los productos de fisión generados mediante fisión espontánea producen rastros de daño a medida que los fragmentos retroceden a través de la estructura cristalina. El número de rastros, o huellas de fisión, se puede utilizar para estimar la edad de una muestra mediante la datación por huellas de fisión .
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