A fissão espontânea é uma forma de decaimento radioativo característico de isótopos muito pesados em que um núcleo pesado se divide, sem fornecer energia externa, pelo menos dois núcleos mais leves.
O primeiro processo de fissão nuclear a ser descoberto foram os nêutrons de fissão induzida . Este avistamento foi anunciado em dezembro de 1938 por Otto Hahn e Fritz Strassmann . Uma descrição teórica da fissão é proposta por Niels Bohr e John Wheeler 6 meses depois, em junho de 1939. Neste artigo, os dois autores prevêem a possibilidade de fissão espontânea no urânio 238 .
Como os raios cósmicos produzem alguns nêutrons, era difícil distinguir eventos induzidos por nêutrons daqueles que eram espontâneos. Os raios cósmicos podem ser efetivamente atenuados por uma espessa camada de rocha ou água. A fissão espontânea foi identificada como tal em 1940 pelos físicos soviéticos Georgy Flyorov e Konstantin Antonowitsch Petrschak (in) durante suas observações de urânio na estação Dinamo do metrô de Moscou , localizada a 60 m abaixo do solo.
Foi demonstrado que a radioatividade de aglomerados é uma fissão superassimétrica espontânea.
Os nuclídeos naturais mais leves, hipoteticamente sujeitos à desintegração por fissão espontânea, são o nióbio 93 e o molibdênio 94 (itens 41 e 42 respectivamente). No entanto, nenhuma observação experimental de fissão espontânea nesses núcleos foi feita. Na prática, eles são considerados isótopos estáveis. É teoricamente possível para todos os núcleos atômicos cuja massa seja maior que 100 u ou uma, ou seja, aproximadamente mais pesado que o rutênio .
No entanto, na prática, a fissão espontânea é observada apenas para núcleos atômicos com uma massa superior a 230 u , ou seja, de tório . Os elementos com maior probabilidade de sofrer fissão espontânea são os actinídeos mais massivos, como o mendelévio e o lawrencium , bem como os elementos transactinídeos, como o rutherfórdio .
Matematicamente, o critério que determina se a fissão espontânea ocorre imediatamente é:
onde Z é o número atômico e A é o número de massa (por exemplo, Z = 92, A = 235 para ).
Note no entanto que esta estimativa vem de um cálculo baseado apenas no modelo de gota de líquido , ou seja, leva em consideração apenas as propriedades macroscópicas do núcleo. Considerar os efeitos microscópicos na penetração da barreira ajuda a explicar as fissões espontâneas observadas em núcleos que têm uma razão Z 2 / A menor que 47. Em contraste, medições experimentais mostraram que a meia-vida de um núcleo em comparação com a fissão espontânea é ainda mais fraca quanto maior for o seu Z 2 / Uma proporção .
Como o próprio nome sugere, a fissão espontânea tem exatamente o mesmo processo de decaimento radioativo da fissão nuclear, exceto que ocorre sem que o núcleo atômico seja atingido por um nêutron ou outra partícula . A fissão espontânea rejeita nêutrons , como qualquer fissão, portanto, se a massa crítica for atingida, ela pode causar uma reação em cadeia . É por isso que os radioisótopos cujo decaimento nuclear por fissão espontânea não é desprezível podem ser usados como uma fonte de emissão de nêutrons . O califórnio 252 (meia-vida de 2.645 anos, taxa de fissão espontânea de 3,09%) é frequentemente usado para esse propósito. Os nêutrons assim produzidos podem ser usados em aplicações como busca de explosivos durante revistas de bagagem em aeroportos, medição de umidade do solo durante a construção de estradas ou em canteiros de obras, medição de umidade de materiais armazenados em silos.
Contanto que as reações de fissão conduzam apenas a uma diminuição desprezível no número de núcleos espontaneamente físseis, este é um processo de Poisson : para intervalos de tempo muito curtos, a probabilidade de fissão espontânea é proporcional à duração do intervalo.
A fissão espontânea é descrita usando o efeito de tunelamento através da barreira de fissão. A penetração da barreira é, portanto, o principal fator na determinação da probabilidade de fissão espontânea. Assim, a meia-vida em relação à fissão espontânea é expressa pela relação:
onde f denota a frequência de oscilação no modo de fissão para o estado fundamental no primeiro poço e P denota a penetrabilidade da barreira para o estado fundamental. A penetrabilidade da barreira depende muito da forma da barreira.
Isótopo | Z 2NO | Meia-vida em relação à fissão espontânea |
---|---|---|
230 th | 35,2 | ≥ 1,5 × 10 17 a |
231 Pa | 35,8 | ≥ 1,1 × 10 16 a |
232 th | 34,9 | ≥ 1 × 10 21 a |
232 U | 36,5 | (8 ± 6) × 10 13 a |
233 U | 36,3 | > 2,7 × 10 17 a |
234 U | 36,2 | (1,5 ± 0,3) × 10 16 a |
235 U | 36,0 | (9,8 ± 2,8) × 10 18 a |
236 U | 35,9 | (2,48 ± 0,11) × 10 16 a |
236 Pu | 37,4 | (23,4 ± 1,2) × 10 9 a |
237 Np | 36,9 | ≥ 1 × 10 18 a |
238 U | 35,6 | (8,2 ± 0,1) × 10 15 a |
238 Pu | 37,1 | (4,70 ± 0,08) × 10 10 a |
239 Pu | 37,0 | (7,8 ± 1,8) × 10 15 a |
240 Pu | 36,8 | (1,16 ± 0,02) × 10 11 a |
240 cm | 38,4 | 1,9 × 10 6 a |
241 Pu | 36,7 | <6 × 10 16 a |
241 am | 37,4 | (1,0 ± 0,4) × 10 14 a |
242 Pu | 36,5 | (6,78 ± 0,04) × 10 10 a |
242 cm | 38,1 | (7,0 ± 0,2) × 10 6 a |
243 am | 37,1 | (2,0 ± 0,5) × 10 14 a |
243 cm | 37,9 | (5,5 ± 0,9) × 10 11 a |
244 Pu | 36,2 | (6,6 ± 0,2) × 10 10 a |
244 cm | 37,8 | (1,32 ± 0,02) × 10 7 a |
245 cm | 37,6 | (1,4 ± 0,2) × 10 12 a |
246 cm | 37,5 | (1,81 ± 0,01) × 10 7 a |
246 Cf | 39,0 | (2,0 ± 0,2) × 10 3 a |
246 Fm | 40,7 | 13,8 s |
248 cm | 37,2 | (4,15 ± 0,03) × 10 6 a |
248 Cf | 38,7 | 3,16 × 10 6 a |
248 Fm | 40,3 | 10 a.m. |
249 Bk | 37,8 | 1,91 × 10 9 a |
249 Cf | 38,6 | 6,74 × 10 10 a |
250 cm | 37,8 | (1,13 ± 0,05) × 10 4 a |
250 Cf | 38,4 | 1,66 × 10 4 a |
250 Fm | 40 | 10 a |
250 não | 41,6 | 250 ± 50 µs |
252 Cf | 38,1 | 85,5 ± 0,3 a |
252 Fm | 39,7 | 115 a |
252 Não | 41,3 | 8,6 s |
253 Es | 38,7 | 6,4 × 10 5 a |
253 Rf | 42,8 | ~ 3,6 s |
254 Cf | 37,8 | 60,7 a |
254 Es | 38,6 | > 2,5 × 10 7 a |
254 Fm | 39,4 | 228 d |
254 Rf | 42,6 | 500 ± 200 µs |
255 Es | 38,4 | 2,66 × 10 3 a |
255 Fm | 39,2 | 9,55 × 10 3 a |
255 Rf | 40,8 | 2,7 s |
255 Db | 43,2 | 1,6 s |
256 Cf | 37,5 | 12,3 ± 1,2 min |
256 Fm | 39,1 | 2,86 h |
256 Não | 40,6 | 1,83 min |
256 Rf | 42,25 | 7,6 ms |
256 Db | 43,1 | 2,6 s |
257 Fm | 38,9 | 131,1 a |
257 Rf | 42,1 | 27,1 s |
257 Db | 42,9 | 11,3 s |
258 Fm | 38,8 | 380 ± 60 µs |
258 Não | 40,3 | 1,2 ms |
258 Rf | 41,9 | 13 ± 3 ms |
259 Fm | 39,6 | 1,5 ± 0,3 ms |
259 bilhões | 39,4 | 1,6 ± 0,4 h |
259 Rf | 41,8 | 36,6 s |
259 Sg | 43,4 | 10 ms |
260 Rf | 41,6 | 21 ± 1 ms |
260 Db | 42,4 | 15,8 s |
260 Sg | 43,2 | 7,2 ms |
261 Db | 42,2 | 7,2 s |
261 Bh | 43,9 | 10 ms |
262 Rf | 41,3 | 47 ± 5 ms |
262 Db | 42,1 | 46,6 s |
263 Sg | 42,7 | 1,1 ± 0,3 s |
Em 1991, Cyriel Wagemans identificou 72 isótopos que podem diminuir por fissão espontânea. Eles são apresentados na tabela ao lado (sem contar os isômeros de fissão ).
Taxa de fissão espontânea:
Nuclide |
Meia-vida ( a ) |
Probabilidade de fissão por decomposição (%) |
Número de fissão por (g • s) |
Nêutrons por fissão espontânea |
Nêutrons por (g • s) |
Potência térmica de decaimentos (W / g) |
Potência térmica das fissões (W / g) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
232 th | 14,05 × 10 9 | 1,003 57 × 10 −6 | 4,07 × 10 −5 | 2.0 | 8,14 × 10 −5 | 2,65 × 10 −9 | 1,27 × 10 −15 |
235 U | 7,038 × 10 8 | 2,0 × 10 -7 | 1,60 × 10 −4 | 1,86 | 2,97 × 10 −4 | 5,99 × 10 −8 | 5.00 × 10 -15 |
236 U | 23,42 × 10 6 | 1.171 × 10 −7 | 2,80 × 10 −3 | 2.0 | 5,60 × 10 −3 | 1,75 × 10 −6 | 8,75 × 10 −14 |
238 U | 4.468 8 × 10 9 | 5,4 × 10 −5 | 6,71 × 10 −3 | 2.07 | 1,39 × 10 −2 | 8,51 × 10 −9 | 2,10 × 10 −13 |
238 Pu | 87,75 | 1,791 × 10 −7 | 1,134 × 10 3 | 2.0 | 2,27 × 10 3 | 0,567 | 3,54 × 10 −8 |
239 Pu | 2,411 × 10 4 | 4,4 × 10 −10 | 1,01 × 10 −2 | 2,16 | 2,18 × 10 −2 | 1,93 × 10 −3 | 3,15 × 10 −13 |
240 Pu | 6,56 × 10 3 | 5,0 × 10 −6 | 4,2 × 10 2 | 2,21 | 9,28 × 10 2 | 6,96 × 10 −3 | 1,31 × 10 −8 |
244 Pu | 80,8 × 10 6 | 0,12 | 8,05 × 10 2 | 2.0 | 1,61 × 10 3 | 5,01 × 10 −7 | 2,51 × 10 −8 |
250 cm | 9.000 | 80,0 | 4,7 × 10 9 | 3,3 | 1,55 × 10 10 | 4,87 × 10 −3 | 0,147 |
252 Cf | 2.645 | 3,09 | 6,13 × 10 11 | 3,73 | 2,3 × 10 12 | 19,76 | 19,15 |
Na prática, o plutônio 239 sempre contém uma certa quantidade de plutônio 240 devido à absorção de nêutrons em reatores; no entanto, a alta taxa de fissão espontânea do plutônio 240 o torna um contaminante indesejável no plutônio de grau militar. Este último é, portanto, obtido em reatores especiais que permitem reter uma quantidade de plutônio 240 inferior a 7%.
A energia térmica resultante de fissões espontâneas é insignificante em comparação com a resultante do decaimento alfa, exceto para os núcleos mais pesados.
No que diz respeito às chamadas bombas A de inserção , a massa crítica deve ser obtida em menos de um milissegundo, tempo durante o qual a ocorrência de fissão deve ser baixa. O único material físsil que pode ser usado nessas bombas é, portanto, o urânio 235.
O recuo dos núcleos produzidos pela fissão espontânea causa defeitos no cristal que hospedava o radionuclídeo fissurado. Esses defeitos de cristal, chamados de traços de fissão , persistem na ausência de aquecimento significativo.
Pela ação de um ácido, os traços de fissão presentes na superfície de uma seção de amostra podem ser revelados (como o desenvolvimento de filmes fotográficos ) e, assim, tornar-se visíveis ao microscópio. A contagem de traços de fissão do urânio 238 é a base de um método de datação absoluta denominado datação de traços de fissão . A contagem de plutônio 244 , uma radioatividade extinta , permite uma datação relativa de amostras muito antigas (vários bilhões de anos).