Spontane Spaltung (genauer:spontane Kernspaltung; auchSpontanspaltung oderSpontanteilung;englischspontaneous fission) ist eine Form desradioaktiven Zerfalls sehr schwererAtomkerne ab einerOrdnungszahl von 90 (Thorium). Sie stellt eine Form derKernspaltung dar, bei der sich ein Kern spontan, d. h. ohne äußere Einwirkung – insbesondere ohne Neutronenbestrahlung – in zwei (selten mehrere) meist mittelschwere Kerne und einige Neutronen teilt.
DerAlphazerfall und derClusterzerfall, d. h. die Abspaltung leichter Kerne ohne zusätzliche Neutronen, zählen nicht zur Spontanspaltung. Weiterhin ist dieneutroneninduzierte Spaltung, eineKernreaktion, vom radioaktiven Zerfall durch spontane Spaltung zu unterscheiden.
Bei den – bezüglich des Vorkommens in der Natur mengenmäßig relevanten –Isotopen derElementeThorium undUran,232Th,234U,235U und238U, kann neben dem vorherrschenden Alphazerfall als weitererZerfallskanal auch die spontane Spaltung des betreffenden Atomkerns in zwei Kerne unter Emission von meist zwei oder drei Neutronen beobachtet werden, z. B. gemäß
oder
SF = Spontaneous Fission
Spontane Spaltung tritt als konkurrierende Zerfallsart auch bei vielen der noch schwererenRadionuklide derTransuran-Elemente neben den ZerfallsartenAlphazerfall,Betazerfall/Elektroneneinfang,Isomerieübergang bzw.Clusterzerfall auf. Insgesamt sind in derKarlsruher Nuklidkarte (Stand 2012) ≥ 143 Radionuklide mit einem Anteil an Spontanspaltung aufgeführt (101 Grundzustände; 10 explizit dargestellteKernisomere; 32 weitere nur komprimiert dargestellte Fälle von je einem oder mehreren spontanspaltenden Kernisomeren mit einerHalbwertszeit < 0,1 s). Dabei kann die Spontanspaltung auch die dominierende Zerfallsart sein (z. B. bei250Cm,254Cf).[1]
Die Spontanspaltung wird wie der Alphazerfall und die induzierte Spaltung grundsätzlich durch denTunneleffekt erklärt. Allerdings muss für Spaltfragmente im Vergleich zu Alphateilchen mit einerCoulombbarriere von komplizierterer Form gerechnet werden.[2]
Wie die induzierte Spaltung erfolgt auch die spontane Spaltung bevorzugt asymmetrisch, d. h. die beiden Spaltfragment-Kerne sind meist verschieden groß. DieMassenverteilung der entstehenden Nuklide ist daher eine Kurve mit zwei „Höckern“ beiMassenzahlen um 90 und um 140, ähnlich wie bei der Spaltung durch thermische Neutronen. Auch das Energiespektrum der freigesetzten Neutronen ist demjenigen aus der induzierten Spaltung sehr ähnlich.
Diepartielle Zerfallskonstante (Wahrscheinlichkeit pro Zeitspanne) für die spontane Spaltung ist meist kleiner als diejenige für den Alphazerfall desselben Nuklids. Will man sie durch die etwas anschaulichere, fiktivepartielle Halbwertszeit ausdrücken, ist diese dementsprechend lang.
Die Möglichkeit einer spontanen Spaltung von Uran wurde zum ersten Mal im Jahre 1939 vonNiels Bohr undJohn Archibald Wheeler vermutet.[3]
Ein Jahr später gelang esGeorgi Fljorow undKonstantin Petrschak, dieses Phänomen an natürlichem Uran nachzuweisen.[4] Sie wandten hierzu die vonOtto Frisch entwickelte Ionisationskammermethode an (s.Entdeckung der Kernspaltung). Sie mussten allerdings das Kammervolumen erheblich vergrößern, um eine Probenmenge von ca. 15 g Uranoxid U3O8 darin unterzubringen. Mit dieser Probe wurden von der Apparatur etwa sechs Impulse pro Stunde registriert; war dieIonisationskammer leer (also ohne U3O8-Füllung), so wurde in fünf Stunden kein einziger Impuls gemessen. Aufgrund dieser Messung und zahlreicher Kontrollversuche kamen die Autoren zu dem Ergebnis, dass die beobachteten Impulse nur von sehr energiereichen, von der U3O8-Oberfläche emittierten Bruchstücken des Urans stammen konnten. Da die Mitwirkung von Neutronen ausgeschlossen werden konnte, ließen die Versuchsergebnisse sich nur durch die Annahme einer Spontanspaltung erklären.
238U hat im gewöhnlichen Uranmineral aufgrund des erheblich größeren Anteils dieses Isotops den größten Anteil an den Spontanspaltungsereignissen.
Die nachfolgende Tabelle für einige Nuklide der Ordnungszahlen 90 bis 106 gibt unter „Häufigkeit“ dieVerzweigungsverhältnisse, d. h. prozentualen Anteile der Zerfallskanäle an.
| Z | Nuklid | Z2/A | Halbwerts- zeit | Häufigkeiten | |
|---|---|---|---|---|---|
| Alphazerfall | Spontanspaltung | ||||
| 90 | 232Th | 34,9 | 1,405·1010 a | ≈100 % | < 1,0·10−9 % |
| 92 | 235U | 36,0 | 7,038·108 a | ≈100 % | 7,0·10−9 % |
| 92 | 238U | 35,6 | 4,468·109 a | ≈100 % | 5,45·10−5 % |
| 94 | 239Pu | 37,0 | 2,411·104 a | ≈100 % | 3,0·10−10 % |
| 94 | 240Pu | 36,8 | 6,56·103 a | ≈100 % | 5,75·10−6 % |
| 98 | 252Cf | 38,1 | 2,64 a | 96,908 % | 3,092 % |
| 100 | 254Fm | 39,4 | 3,240 h | 99,9408 % | 0,0592 % |
| 106 | 258Sg | 43,6 | 2,9 ms | 0 % | ≈100 % |
Wie man sieht, ist bei den Elementen mit Ordnungszahlen bis etwa 95 der Anteil der Spontanspaltung an den gesamten Zerfällen sehr klein. Das Gleiche gilt bei Ordnungszahlen von 107 und höher (vgl.Liste der Isotope).
DerSpaltungsparameterZ2/A (Z = Ordnungszahl,A = Massenzahl) ist in der dritten Spalte der Tabelle angegeben. Er nimmt mit steigender Ordnungszahl zu. Eine einfache Abschätzung auf der Grundlage desTröpfchenmodells ergibt, dass oberhalb etwaZ2/A = 38,5 die Potentialbarriere für Spontanspaltung verschwindet; wegen des Tunneleffekts tritt Spontanspaltung allerdings schon bei kleineren Werten auf.[5] (Thorium-232:Z2/A = 34,9).
Atomkerne mit einem Wert vonZ2/A > 49 sind nicht existenzfähig, weil sie unmittelbar nach ihrer Entstehung durch Spontanspaltung zerfallen müssten.[6][7][8] Bei den bisher experimentell dargestellten Transuranen (Elemente 93 bis 118) liegtZ2/A bei höchstens 47,4. Erst beiZ > 130 sollte der Grenzwert 49 erreicht werden. Nach neueren Erkenntnissen ist auch dann ungewiss, ob wirklich in jedem Fall die Spontanspaltung eintritt.[7]
Die Angabe, ob bei einem Nuklid Spontanspaltung beobachtet worden ist, findet man z. B. in der Karlsruher Nuklidkarte.[1] Genaue Verzweigungsverhältnisse kann man Datensammlungen wie z. B. derTable of Isotopes[9] entnehmen.
Da bei der Spontanspaltung eines Atomkerns etwa zwei bis vier Neutronen freigesetzt werden, können spontanspaltende Nuklide alsNeutronenquellen dienen. Sie werden beispielsweise zurNeutronenaktivierungsanalyse von unzugänglichem Material (Gesteinsbrocken auf dem Mars, Manganknollen auf dem Meeresboden[7]) verwendet. Da das Neutronenspektrum dem der induzierten Kernspaltung sehr ähnlich ist, spielen sie auch bei experimentellen Untersuchungen zurReaktorphysik und als „Anfahrquelle“ inKernreaktoren eine Rolle. Am häufigsten wird252Californium verwendet.