الانشطار التلقائي

الانشطار التلقائي هو شكل من أشكال التحلل الإشعاعي، حيث تنقسم نواة ذرية ثقيلة إلى نواتين أو أكثر أخف وزناً. وعلى عكس الانشطار المُستحث ، لا توجد جسيمات مُحفزة لبدء التحلل؛ إنها عملية احتمالية بحتة.

يُعدّ الانشطار التلقائي نمطًا سائدًا لتحلل العناصر فائقة الثقل ، حيث يتناقص استقرار النواة عمومًا مع ازدياد كتلتها. ولذلك، يُشكّل حدًا عمليًا لعدد النيوكليونات في العناصر الثقيلة. يمكن تكوين النوى الأثقل بشكل فوري من خلال عمليات فيزيائية، طبيعية (عبر عملية الالتقاط السريع للنيوترونات r -process ) وصناعية، إلا أنها تتحلل بسرعة إلى نوى أكثر استقرارًا. ولهذا السبب، باستثناء فروع التحلل الثانوية في النوى المشعة البدائية، لا يُرصد الانشطار التلقائي في الطبيعة.

تتراوح أعمار النصف المرصودة للانشطار النووي من 60 نانوثانية ( 252 × 10⁴ Rf ) إلى ما هو أكبر من عمر الكون الحالي ( 232 × 90 Th ). [ 1 ] [ 2 ] : 16

تاريخ

بعد اكتشاف الانشطار المُستحثّ على يد أوتو هان وفريتز ستراسمان عام 1938، بدأ الفيزيائيان السوفيتيان جورجي فليوروف وكونستانتين بيترزاك بإجراء تجارب لاستكشاف تأثير طاقة النيوترونات الساقطة على نوى اليورانيوم. سجّلت أجهزتهما شظايا الانشطار حتى في غياب النيوترونات اللازمة لتحفيز الاضمحلال، واستمرّ هذا التأثير حتى بعد نقل الجهاز 60 مترًا تحت الأرض إلى أنفاق محطة دينامو في مترو موسكو ، في محاولة لعزله عن تأثيرات الأشعة الكونية . كان اكتشاف الانشطار المُستحثّ بحدّ ذاته مفاجأة، ولم تكن هناك آلية أخرى معروفة لتفسير الاضمحلالات المرصودة. لم يكن من الممكن تفسير هذا التأثير إلا بالانشطار التلقائي لنوى اليورانيوم دون أي تأثير خارجي. [ 3 ]

الآلية

ينشأ الانشطار التلقائي نتيجةً للتنافس بين قوى التجاذب للقوة النووية القوية والتنافر الكولومبي المتبادل بين البروتونات المكونة لها. تزداد طاقة الربط النووي طرديًا مع العدد الكتلي (A)، بينما يزداد التنافر الكولومبي مع مربع العدد الذري (Z). وبالتالي، عند الكتل والأعداد الذرية العالية، يتغلب التنافر الكولومبي على قوى الربط النووي، وتكون النواة أكثر استقرارًا من الناحية الطاقية على هيئة جزأين منفصلين مقارنةً بكونها نظامًا واحدًا مرتبطًا. [ 4 ] : ​​478-479

الانشطار التلقائي عملية بطيئة عادةً، إذ لا تستطيع النواة الانتقال مباشرةً إلى حالة الطاقة الأدنى (المنقسمة). بل يجب عليها أن تخترق حاجز طاقة كامنة، باحتمالية تحددها ارتفاعات هذا الحاجز. هذا الحاجز ممكن طاقيًا لجميع قيم A  93، مع أن ارتفاعه يتناقص عمومًا مع ازدياد Z، [ 4 ] : ​​433 ، ولا يُلاحظ الانشطار عمليًا إلا عند A  232. [ 5 ]

يتم التعبير عن استقرار النواة ضد الانشطار كنسبة بين طاقة كولوم وطاقة السطح، والتي يمكن تقديرها تجريبياً كمعامل الانشطار، x: xZ250.88أ(1-ηأنا2){\displaystyle x\approx {\frac {Z^{2}}{50.88A(1-\eta I^{2})}}} معأنا=شمال-Zأ{\displaystyle I={\tfrac {NZ}{A}}}وη1.78{\displaystyle \eta \approx 1.78}[ 6 ] : 3 بالنسبة للنوى الخفيفة، تكون قيمة x صغيرة ويوجد حاجز انشطار كبير. ومع ازدياد الكتلة النووية، يزداد معامل الانشطار أيضًا، حتى يقترب في النهاية من الواحد ويتجاوزه ، حيث تُفقد الاستقرارية ضد الانشطار تمامًا. [ 7 ] : 4

قد تؤثر تأثيرات الغلاف وتأثيرات اقتران النيوكليونات بشكلٍ إضافي على أعمار النصف المرصودة. تُعاق اضمحلالات النوى ذات العدد الكتلي الفردي بمقدار 3-5 مراتب مقارنةً بالنوى ذات العدد الكتلي الزوجي. [ 8 ] : 4 من المتوقع أن يكون حاجز الانشطار صفراً عند العدد الكتلي A  =  300، على الرغم من احتمال وجود منطقة استقرار مركزها عند Z  =  114 و N  =  184. [ 4 ] : ​​481-2

حتى الآن، لا توجد نماذج حسابية دقيقة تصف عملية الانشطار النووي كاملةً. [ 8 ] : 3. وقد طُوّرت نظريات حسابية تستند إلى مناهج هارتري-فوك أو نظرية الكثافة الوظيفية ، إلا أن التعقيد الحسابي يجعل من الصعب محاكاة السلوك الكامل. [ 2 ] : 35. ويُقدّم نموذج القطرة السائلة شبه الكلاسيكي وصفًا نوعيًا في المقام الأول للظواهر، وذلك بمعاملة النواة كقطرة سائلة كلاسيكية يمكن تطبيق تصحيحات كمومية عليها، مما يُوفّر صورة مفاهيمية مفيدة تتطابق جزئيًا مع البيانات التجريبية، ولكنه يتجاهل الكثير من الطبيعة الكمومية للنظام، ويفشل في تقديم تنبؤات أكثر دقة.

في هذا النموذج، كما هو الحال مع قطرة سائلة تقليدية، يُضاف مصطلح " التوتر السطحي " الذي يُعزز الشكل الكروي للنواة. في المقابل، يعمل مصطلح التنافر الكولومبي على زيادة المسافة بين أزواج البروتونات المتنافرة، وبالتالي يُعزز استطالة النواة إلى شكل بيضاوي. [ 6 ] : 3 مع ازدياد تشوه النواة، وخاصةً بالنسبة للنوى الكبيرة نظرًا لقوة التنافر الكولومبي فيها، قد تجد النواة نفسها في حالة تتشكل فيها "عنق" رقيق، مُشكلاً جسرًا بين مجموعتين من المادة النووية، وهو ما قد يتجاوز قدرة التوتر السطحي على استعادة الشكل الأصلي، لينقسم في النهاية إلى جزأين عند "نقطة الانفصال". [ 2 ] : 15 عند إدخال تأثيرات النفق الكمومي، يكون للنواة دائمًا فرصة للانقسام تزداد مع ازدياد التشوه، وقد يحدث ذلك حتى لو كان التشوه غير كافٍ لإحداث تمزق في عنق النواة. بعد الانفصال، تكون كلتا الشظيتين مشحونتين بشحنة موجبة عالية، وبالتالي تكتسبان طاقة حركية كبيرة من خلال تنافرهما المتبادل أثناء تسارعهما بعيدًا عن بعضهما البعض.

تُعرف المتصاوغات الشكلية (وتُسمى أيضًا متصاوغات الانشطار ) بأنها حالات نووية مثارة موجودة قبل الانشطار، وقد تنحرف عن الشكل الكروي، مما يزيد من تشوه النواة مقارنةً بالحالة الأرضية دون أن تخضع لانشطار كامل. تُسمى هذه الحالات "شبه مستقرة"؛ إذ يمكن للنواة في هذه الحالة، خلال فترات زمنية تتراوح بين النانوثانية والميكروثانية، إما أن تتحلل عائدةً إلى الحالة الأرضية عبر انبعاث أشعة غاما، أو أن تخترق حاجز الانشطار وتتفكك. إذا وجدت النواة نفسها في هذه الحالة، سواءً من خلال النفق الكمومي أو عبر التقلبات الإحصائية العشوائية، فإن حاجز الانشطار ينخفض ​​بشكل كبير، لأن المتصاوغات الشكلية تكون دائمًا عند مستوى طاقة أعلى من الحالة الأرضية، وبالتالي لم تعد بحاجة إلى اختراق الحاجز بأكمله. يؤدي ازدياد احتمالية الانشطار الناتجة إلى تقليل عمر النصف الفعال للنواة. [ 4 ] : 494-7 تم اقتراح حواجز ثلاثية القمم لبعض الأنواع النووية مثل 228 90 Th ، مما يقلل من عمر النصف المرصود له. [ 9 ]

منتجات

تكون شظايا الانشطار عادةً غنية بالنيوترونات وتتولد دائمًا في حالات مثارة. [ 2 ] : 3 وبالتالي، تحدث اضمحلالات النوى الوليدة بسرعة بعد الانشطار. تُسمى الاضمحلالات التي تحدث في غضون 10⁻¹³ ثانية  من الانشطار "الاضمحلالات الفورية"، وهي تهيمن عليها في البداية سلسلة من انبعاثات النيوترونات التي تظل نمط الاضمحلال السائد حتى تنخفض طاقة الشظية إلى نفس رتبة مقدار طاقة فصل النيوترونات (تقريبًا).عند طاقة 7 ميغا  إلكترون فولت، يصبح انبعاث الفوتونات منافسًا. أما عند طاقة فصل النيوترونات، فيسود انبعاث أشعة غاما، الذي يتميز بطيف غير منتظم من طاقات غاما مع قمم مميزة منخفضة الطاقة تتوافق مع اضمحلالات محددة أثناء هبوط النواتج على خط yrast ، [ 2 ] : 53-4، حيث يحمل كل اضمحلال زخمًا زاويًا زائدًا. [ 7 ] : 8. يبلغ متوسط ​​إجمالي انبعاث أشعة غاما الفوري 30% أعلى من الشظية الأخف مقارنةً بالشظية الأثقل، مما يعني أن الشظية الأثقل تتكون بزخم زاوي ابتدائي أعلى. [ 7 ] : 19. أخيرًا، يُكمل التحويل الداخلي وانبعاث الأشعة السينية الانبعاثات الفورية. [ 2 ] : 53-4. غالبًا ما تكون النواتج الناتجة عن الاضمحلالات الفورية غير مستقرة ضد اضمحلال بيتا، ومن المتوقع أيضًا انبعاث المزيد من الفوتونات والنيوترونات. تُسمى هذه الانبعاثات "الانبعاثات المتأخرة" وتحدث بنصف عمر يتراوح من بيكو ثانية إلى سنوات. [ 2 ] : 3

نتيجةً لكثرة مسارات التحلل المتاحة لنواة الانشطار، يوجد تباين كبير في النواتج النهائية. تتوزع كتل الشظايا توزيعًا طبيعيًا حول قمتين مركزيتين عند A  95 و A  140. [ 4 ] : ​​484 لا يُفضل الانشطار التلقائي الشظايا متساوية الكتلة، ولم يُعثر على تفسير مقنع لذلك. [ 4 ] : ​​484 في حالات نادرة (0.3%)، قد تتكون ثلاث شظايا انشطار أو أكثر. [ 10 ] عادةً ما تكون النواتج الثلاثية جسيمات ألفا، على الرغم من أنها قد تصل كتلتها إلى كتلة نواة الأكسجين. [ 2 ] : 46

يبلغ إجمالي الطاقة المنبعثة من جميع المنتجات ما يقارب200  ميغا إلكترون فولت ، [ 6 ] : 4 تُلاحظ في الغالب كطاقة حركية لشظايا الانشطار، حيث تتلقى الشظية الأخف النسبة الأكبر من الطاقة. [ 4 ] : ​​491-2 بالنسبة لمسار اضمحلال معين، فإن عدد النيوترونات المنبعثة غير ثابت، ويتبع بدلاً من ذلك توزيعًا غاوسيًا (متقطعًا). ومع ذلك، فإن التوزيع حول المتوسط ​​ثابت عبر جميع مسارات الاضمحلال. [ 4 ] : ​​486 تُنبعث النيوترونات الفورية بطاقات تُقارب (ولكنها لا تُطابق بدقة) توزيع ماكسويل ، [ 7 ] : 17-8 تبلغ ذروتها بين 0.5 و1 ميغا إلكترون فولت، بمتوسط ​​طاقة يبلغ 2  ميغا إلكترون فولت وطاقة قصوى تبلغ حوالي10  ميغا إلكترون فولت . [ 11 ] : 4-5 يشكل انبعاث أشعة غاما الفوري 8 ميغا إلكترون فولت إضافية  ، بينما يساهم اضمحلال بيتا وأشعة غاما المتأخرة في 8 ميغا إلكترون فولت إضافية.19  ميغا إلكترون فولت و7  ميغا إلكترون فولت على التوالي. [ 4 ] : ​​492 أقل من 1% من النيوترونات المنبعثة تنبعث كنيوترونات متأخرة. [ 12 ]

التطبيقات

يُعدّ الانشطار التلقائي المصدر الأكثر شيوعًا للنيوترونات التي تُستخدم لاحقًا. يمكن استخدام هذه النيوترونات في تطبيقات مثل التصوير النيوتروني ، أو لتحفيز تفاعلات نووية إضافية، بما في ذلك بدء الانشطار المُستحثّ في هدف ما، كما هو شائع في المفاعلات النووية والأسلحة النووية . من جهة أخرى، قد تفشل الأسلحة النووية القائمة على البلوتونيوم-239 بسبب وجود نيوترونات الانشطار التلقائي إذا احتوت على كمية زائدة من البلوتونيوم-240 . وينتج عن ذلك " الفشل " بسبب بدء التفاعل النووي المتسلسل قبل الأوان.

في البلورات التي تحتوي على نسب عالية من اليورانيوم، تُنتج نواتج الانشطار الناتجة عن الانشطار التلقائي آثارًا ناتجة عن ارتداد الشظايا عبر بنية البلورة. ويمكن استخدام عدد هذه الآثار، أو مسارات الانشطار، لتقدير عمر العينة من خلال التأريخ بمسارات الانشطار .

معدلات الانشطار التلقائي

عمر النصف للانشطار التلقائي لمختلف النوى النووية تبعًا لنسبة / A . النوى النووية لنفس العنصر مرتبطة بخط أحمر. يُظهر الخط الأخضر الحد الأعلى لعمر النصف. البيانات مأخوذة من ويكيبيديا الفرنسية .
معدلات الانشطار التلقائي [ 13 ]
نوكليودنصف العمر (بالسنوات)نسبة تفرع الانشطار (نسبة مئوية من حالات الاضمحلال)النيوترونات لكلنصف العمر التلقائي (بالسنوات)Z 2 / A
الانشطارغرام-ثانية
235يو7.04 × 10 82.0 × 10⁻⁷1.86 0.00033.5 × 10^ 1736.0
238يو4.47 × 10⁹5.4 × 10⁻⁵2.07 0.01368.4 × 10^ 1535.6
239بو241004.4 × 10⁻¹⁰2.16 0.0225.5 × 10^ 1537.0
240بو 65695.0 × 10⁻⁶2.219201.16 × 10 ^1136.8
250سم 8300 [ 14 ]74 تقريبًا3.31 1.6·10 101.12 × 10⁴36.9
252انظر 2.6468 [ 15 ]3.093.73 2.3·10 1285.738.1

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. خويغباتار، ج.؛ موسات، ب.؛ بالوف، ج.؛ وآخرون  . (21 نوفمبر 2024). "الخوض في بحر عدم الاستقرار: النواة فائقة الثقل الجديدة دون مستوى 𝜇s ، 252 Rf" . رسائل المراجعة الفيزيائية .
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 شونك، نيكولاس؛ رينييه، ديفيد (1 يوليو 2022). "نظرية الانشطار النووي" . التقدم في فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية . 125 103963. arXiv : 2201.02719 . Bibcode : 2022PrPNP.12503963S . doi : 10.1016/j.ppnp.2022.103963 .
  3. بيترزاك، كونستانتين . "كيف تم اكتشاف الانشطار التلقائي" (باللغة الروسية).
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 كرين، كينيث س. (1988). مقدمة في الفيزياء النووية . هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي. ISBN 978-0-471-80553-3.
  5. "ما هو الانشطار التلقائي - التعريف" . قياس جرعات الإشعاع . 14 ديسمبر 2019.
  6. 1 2 3 شونك، ن؛ روبيلدو، ل.م. (1 نوفمبر 2016). "النظرية المجهرية للانشطار النووي: مراجعة". تقارير عن التقدم في الفيزياء . 79 (11). arXiv : 1511.07517 . Bibcode : 2016RPPh...79k6301S . doi : 10.1088/0034-4885/79/11/116301 . PMID 27727148 . 
  7. 1 2 3 4 راندروب، ج.؛ فوغت، ر. (3 أكتوبر 2012). الانشطار النووي . مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، ليفرمور، كاليفورنيا (الولايات المتحدة). OSTI 1124864 . 
  8. 1 2 بندر، مايكل. برنارد، ريمي. بيرتش، جورج. تشيبا، ساتوشي؛ دوباكزيوسكي، جاسيك؛ دوبراي، نويل؛ جولياني ، صموئيل أ ؛ هاجينو، كويتشي؛ لاكروا، دينيس؛ لي، زيبان؛ ماجيرسكي، بيوتر؛ مارون، يواكيم؛ نازارويتز، فيتولد؛ باي، جونشين؛ بيرو، صوفي؛ بيليت، ناتالي؛ راندروب، يورغن. ريجنير، ديفيد. رينهارد، بول غيرهارد. روبليدو ، لويس م. ريسنس، فوتر؛ سادهوخان، جهيلام؛ سكامبس، غيوم؛ شونك، نيكولاس؛ سيمينيل، سيدريك؛ سكالسكي، يانوش. ستيتكو، ايونيل؛ ستيفنسون، بول؛ عمر، سعيد؛ فيريري، مارك؛ فريتينار، داريو؛ وردة، ميشال؛ أوبيرج ، سفين (1 نوفمبر 2020). "مستقبل نظرية الانشطار النووي" . مجلة الفيزياء ز: الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات . 47 (11): 113002. أرخايف : 2005.10216 . دوى : 10.1088/1361-6471/abab4f . اتش دي ال : 1885/224561 .
  9. ماكدونيل، جيه دي؛ نازاريفيتش، دبليو؛ شيخ، جيه إيه (22 مايو 2013). "الحد الأدنى الثالث في نظائر الثوريوم واليورانيوم في نظرية متسقة ذاتيًا" . مجلة Physical Review C. 87 ( 5) 054327. arXiv : 1302.1165 . Bibcode : 2013PhRvC..87e4327M . doi : 10.1103/PhysRevC.87.054327 .
  10. إيفانوف، م. ب؛ بوكلانوف، ج. ف؛ ديفيد، إ؛ كوشنيروك، ف. ف؛ سوبوليف، يو. ج؛ فوميتشيف، أ. س (1 يوليو 2000). الانبعاث المتزامن لجسيمين خفيفين مشحونين في الانشطار التلقائي للكوريوم -248 والكاليفورنيوم -252 (ملف PDF) . ورشة العمل الدولية الرابعة عشرة حول فيزياء الانشطار النووي.
  11. ^ كابوت، ر. تشن، Y.-J؛ هامبش، F.-J.؛ كورنيلوف، نيفادا؛ ليستون، جي بي؛ ليتايز، O.؛ موريلون، ب. نيوديكر، د.؛ أوبرستيدت، S .؛ أوساوا، ت.؛ أوتوكا، ن.؛ برونيايف، ف.ج. ساكسينا، أ.؛ سيروت، O.؛ شيرباكوف، الزراعة العضوية؛ شو، نورث كارولاينا؛ سميث، دل. تالو، ص. تركوف، أ. تيودورا، AC؛ فوجت، ر. فوروبييف، AS (يناير 2016). "أطياف النيوترونات الانشطارية السريعة للأكتينيدات" . صحائف البيانات النووية . 131 : 1– 106. بيب كود : 2016NDS...131....1C . دوى : 10.1016/j.nds.2015.12.002 . أوستي 1239564 . 
  12. شولتيس، ج. كينيث؛ فو، ريتشارد إي. (7 سبتمبر 2007). أساسيات العلوم والهندسة النووية . مطبعة سي آر سي. ص 148. ISBN  978-1-4398-9408-8.
  13. شولتيس، ج. كينيث؛ فو، ريتشارد إي. (2008). أساسيات العلوم والهندسة النووية . مطبعة سي آر سي . ص 141 (الجدول 6.2). ISBN  978-1-4200-5135-3.
  14. المدخل على موقع periodictable.com
  15. المدخل على موقع periodictable.com