自発核分裂

自発核分裂（Spontaneous Fission）

自発核分裂は、特に質量数が大きい同位体に見られる特殊な放射性崩壊の一形態です。このプロセスは、エネルギー的に可能であれば、質量数が約230Da以上の原子核において発生することが予測されており、具体的にはトリウムやウランなどの元素に関連しています。

自発核分裂が起こる条件は数学的に示されることがあります。[原子番号]と[質量数]の関係を以下の式で表すことができ、これは原子核の安定性を示す指標となります。

$$
\frac{Z^2}{A} \geq 45
$$

ここで、Zは原子番号、Aは質量数を指します。自発核分裂では、陽子数(Z)が増えると、その発生確率は急激に変化します。例えば、ウランの陽子数は92であり、その自発核分裂の半減期は非常に長い1016年となるのに対し、陽子数が100のフェルミウムでは、半減期はわずか1年程度と短くなります。このことから、自発核分裂が最も頻繁に起こる元素は超アクチニウム系列に属するラザホージウムであることがわかります。

自発核分裂は、外部からの衝撃（中性子や他の粒子）を必要とせずに核分裂が始まる特徴があります。陽子が多く中性子が少ない核種では、相互作用する陽子同士のクーロン力によって原子核は不安定になります。こうした不安定な状態にある原子核が、量子力学的な揺らぎによって自発的に分裂するのです。この分裂では必然的に中性子が放出されるため、自発核分裂を行う材料が臨界量を越えると、核分裂の連鎖反応を引き起こす可能性があります。

この自発核分裂が無視できない確率で発生する放射性同位元素は、中性子源として利用されます。例えば、カリホルニウム252は特に有名で、半減期は約2.645年、自発核分裂の分岐比は3.09%です。このような中性子源は、航空貨物の爆発物検査や建設業界での土壌水分測定、保管物資の湿度測定など、さまざまな分野で活用されています。

自発核分裂が起こる際、分裂性原子核の数が変化しない場合、放射能の強度は安定したベクレル数を示すことができます。そのため、これはポアソン過程として考えることができ、特定の時間内での自発核分裂の確率は、観測する時間の長さに比例します。

ウランを含んだ鉱物中で、ウラン238の自発核分裂により生成された分裂後の原子核が、鉱物の結晶構造中に残す「飛跡」があります。これらの飛跡はフィッション・トラックと呼ばれ、放射年代の測定に役立つ手法として利用されています。

また、超重元素を探索する際、特定の元素が合成されるための条件は、その原子核が知られる既知の原子核に崩壊することと定義されています。すべてが自発核分裂してしまう場合、その原子核は合成されたとは認められません。

主な核種の自発核分裂確率

自発核分裂の確率は元素によって異なります。以下は、いくつかの主要な核種の自発核分裂の確率です。

• - 235U: 5.60 × 10^-3 回/s-kg
• - 238U: 6.93 回/s-kg
• - 239Pu: 7.01 回/s-kg
• - 240Pu: 489,000 回/s-kg（約 1,000,000 中性子/s-kg）

プルトニウム239は生成過程で中性子を1個余計に吸収しがちで、実際には常にある量のプルトニウム240が混入しています。このプルトニウム240は高い自発核分裂の確率があるため、プルトニウムの利用においては好まれない成分とされています。兵器級プルトニウムでは、プルトニウム240の含有量が7%以下とされることが求められます。

ガンバレル型の原子爆弾では、分割された核物質を合体させて臨界量に達するためには、臨界挿入時間が約1ミリ秒と定められています。この時間内に発生する自発核分裂の確率は極めて小さくなければなりません。このため、ガンバレル方式の原爆に用いる核物質はウラン235が最適とされています。

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