stringtranslate.com

Долина стабильности

В ядерной физике долина стабильности (также называемая поясом стабильности , ядерной долиной , энергетической долиной или долиной бета-стабильности ) — это характеристика стабильности нуклидов по отношению к радиоактивности на основе их энергии связи. [1] Нуклиды состоят из протонов и нейтронов . Форма долины относится к профилю энергии связи как функции числа нейтронов и протонов, при этом самая нижняя часть долины соответствует области наиболее стабильных ядер . [2] Линия стабильных нуклидов по центру долины стабильности известна как линия бета-стабильности . Стороны долины соответствуют возрастающей нестабильности по отношению к бета-распаду или β + ). Распад нуклида становится более энергетически выгодным, чем дальше он находится от линии бета-стабильности. Границы долины соответствуют ядерным границам , где нуклиды становятся настолько нестабильными, что испускают отдельные протоны или отдельные нейтроны . Области нестабильности в долине при высоком атомном числе также включают радиоактивный распад под действием альфа-излучения или спонтанного деления . Форма долины представляет собой примерно вытянутый параболоид, соответствующий энергиям связи нуклида как функции нейтронов и атомных чисел. [1]

Нуклиды в долине стабильности охватывают всю таблицу нуклидов . Таблица этих нуклидов также известна как таблица Сегре, в честь физика Эмилио Сегре . [3] Таблица Сегре может считаться картой ядерной долины. Область протонных и нейтронных комбинаций за пределами долины стабильности называется морем нестабильности. [4] [5]

Ученые долго искали долгоживущие тяжелые изотопы за пределами долины стабильности, [6] [7] [8] выдвинутой Гленном Т. Сиборгом в конце 1960-х годов. [9] [10] Предполагается, что эти относительно стабильные нуклиды будут иметь особые конфигурации « магических » атомных и нейтронных чисел и образовывать так называемый остров стабильности .

Описание

Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных вместе ядерной силой . Существует 286 первичных нуклидов, которые встречаются в природе на Земле, каждый из которых соответствует уникальному числу протонов, называемому атомным числом , Z , и уникальному числу нейтронов, называемому нейтронным числом , N. Массовое число , A , нуклида является суммой атомного и нейтронного чисел, A = Z + N. Однако не все нуклиды стабильны. Согласно Бирну, [3] стабильные нуклиды определяются как те, у которых период полураспада больше 10 18 лет, и существует много комбинаций протонов и нейтронов, которые образуют нестабильные нуклиды. Типичным примером нестабильного нуклида является углерод-14 , который распадается путем бета-распада на азот-14 с периодом полураспада около 5730 лет:

14
6
С
14
7
Н
+
е
+
ν
е

В этой форме распада исходный элемент становится новым химическим элементом в процессе, известном как ядерная трансмутация , и испускаются бета-частица и электронное антинейтрино . Существенным свойством этого и всех распадов нуклидов является то, что полная энергия продукта распада меньше, чем у исходного нуклида. Разница между начальной и конечной энергиями связи нуклида уносится кинетической энергией продуктов распада, часто бета-частицы и связанного с ней нейтрино. [3]

Концепция долины стабильности — это способ организации всех нуклидов в соответствии с энергией связи как функцией числа нейтронов и протонов. [1] Большинство стабильных нуклидов имеют примерно одинаковое число протонов и нейтронов, поэтому линия, для которой Z = N, образует грубую начальную линию, определяющую стабильные нуклиды. Чем больше число протонов, тем больше нейтронов требуется для стабилизации нуклида; нуклиды с большими значениями Z требуют еще большего числа нейтронов, N > Z , чтобы быть стабильными. Долина стабильности образована отрицательной энергией связи, причем энергия связи представляет собой энергию, необходимую для разделения нуклида на его протонные и нейтронные компоненты. Стабильные нуклиды имеют высокую энергию связи, и эти нуклиды лежат вдоль дна долины стабильности. Нуклиды с более слабой энергией связи имеют комбинации N и Z , которые лежат вне линии стабильности и выше по сторонам долины стабильности. Нестабильные нуклиды могут образовываться , например, в ядерных реакторах или сверхновых . Такие нуклиды часто распадаются в последовательностях реакций, называемых цепочками распада , которые последовательно перемещают полученные нуклиды вниз по склонам долины стабильности. Последовательность распадов перемещает нуклиды в сторону больших энергий связи, а нуклиды, завершающие цепочку, стабильны. [1] Долина стабильности обеспечивает как концептуальный подход к тому, как организовать множество стабильных и нестабильных нуклидов в связную картину, так и интуитивный способ понять, как и почему происходят последовательности радиоактивного распада. [1]

Роль нейтронов

Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро, ведут себя почти одинаково внутри ядра. Приближенная симметрия изоспина рассматривает эти частицы как идентичные, но в разных квантовых состояниях. Однако эта симметрия является лишь приблизительной, и ядерная сила , которая связывает нуклоны вместе, является сложной функцией, зависящей от типа нуклона, состояния спина, электрического заряда, импульса и т. д. и с вкладами нецентральных сил . Ядерная сила не является фундаментальной силой природы, а следствием остаточных эффектов сильной силы , которая окружает нуклоны. Одним из последствий этих осложнений является то, что хотя дейтерий , связанное состояние протона (p) и нейтрона (n), является стабильным, экзотические нуклиды, такие как дипротон или динейтрон, являются несвязанными. [11] Ядерная сила недостаточно сильна, чтобы образовать связанные состояния pp или nn, или, что эквивалентно, ядерная сила не образует потенциальную яму, достаточно глубокую, чтобы связать эти идентичные нуклоны. [ требуется ссылка ]

Стабильные нуклиды требуют примерно равного количества протонов и нейтронов. Например, стабильный нуклид углерод-12 ( 12 C) состоит из шести нейтронов и шести протонов. Протоны имеют положительный заряд, поэтому внутри нуклида со многими протонами существуют большие силы отталкивания между протонами, возникающие из-за силы Кулона . Действуя, чтобы отделить протоны друг от друга, нейтроны внутри нуклида играют существенную роль в стабилизации нуклидов. С увеличением атомного номера для достижения стабильности требуется еще большее количество нейтронов. Самый тяжелый стабильный элемент, свинец (Pb), имеет намного больше нейтронов, чем протонов. Например, стабильный нуклид 206 Pb имеет Z  = 82 и N  = 124. По этой причине долина стабильности не следует линии Z  =  N для A больше 40 ( Z  = 20 — это элемент кальций ). [3] Число нейтронов увеличивается вдоль линии бета-стабильности быстрее, чем атомный номер.

Линия бета-стабильности следует определенной кривой нейтронно-протонного отношения , соответствующей наиболее стабильным нуклидам. С одной стороны долины стабильности это отношение мало, что соответствует избытку протонов над нейтронами в нуклидах. Эти нуклиды имеют тенденцию быть нестабильными к β + -распаду или электронному захвату, поскольку такой распад преобразует протон в нейтрон. Распад служит для перемещения нуклидов к более стабильному нейтронно-протонному отношению. С другой стороны долины стабильности это отношение велико, что соответствует избытку нейтронов над протонами в нуклидах. Эти нуклиды имеют тенденцию быть нестабильными к β −- распаду, поскольку такой распад преобразует нейтроны в протоны. С этой стороны долины стабильности β −- распад также служит для перемещения нуклидов к более стабильному нейтронно-протонному отношению.

Нейтроны, протоны и энергия связи

Масса атомного ядра определяется по формуле

где и — масса покоя протона и нейтрона соответственно, а — полная энергия связи ядра. Здесь используется эквивалентность массы и энергии . Энергия связи вычитается из суммы масс протона и нейтрона, поскольку масса ядра меньше этой суммы. Это свойство, называемое дефектом массы , необходимо для стабильного ядра; внутри ядра нуклиды удерживаются потенциальной ямой . Полуэмпирическая формула массы утверждает, что энергия связи будет иметь вид

[12]

Разница между массой ядра и суммой масс нейтронов и протонов, которые его составляют, известна как дефект массы . E B часто делится на массовое число, чтобы получить энергию связи на нуклон для сравнения энергий связи между нуклидами. Каждый из членов в этой формуле имеет теоретическую основу. Коэффициенты , , , и коэффициент, который появляется в формуле для , определяются эмпирически.

Выражение для энергии связи дает количественную оценку для нейтронно-протонного отношения. Энергия является квадратичным выражением по Z , которое минимизируется, когда нейтронно-протонное отношение равно . Это уравнение для нейтронно-протонного отношения показывает, что в стабильных нуклидах число нейтронов больше числа протонов на коэффициент, который масштабируется как .

Отрицательная энергия связи на нуклон для стабильных нуклидов, расположенных вдоль дна долины стабильности. Железо-56 является наиболее стабильным нуклидом и находится примерно в самой нижней точке долины стабильности.

Рисунок справа показывает среднюю энергию связи на нуклон как функцию атомного массового числа вдоль линии бета-стабильности, то есть вдоль дна долины стабильности. Для очень малого атомного массового числа (H, He, Li) энергия связи на нуклон мала, и эта энергия быстро увеличивается с атомным массовым числом. Никель-62 (28 протонов, 34 нейтрона) имеет самую высокую среднюю энергию связи среди всех нуклидов, в то время как железо-58 (26 протонов, 32 нейтрона) и железо-56 (26 протонов, 30 нейтронов) занимают близкое второе и третье места. [13] Эти нуклиды лежат в самом низу долины стабильности. От этого дна средняя энергия связи на нуклон медленно уменьшается с увеличением атомного массового числа. Тяжелый нуклид 238 U нестабилен, но медленно распадается с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет. [1] Он имеет относительно небольшую энергию связи на нуклон.

Для β распада ядерные реакции имеют общую форму

А
Я
Х
А
Я +1
Х′
+
е
+
ν
е
[14]

где A и Zмассовое число и атомный номер распадающегося ядра, а X и X′ — начальный и конечный нуклиды соответственно. Для β + распада общая форма имеет вид

А
Я
Х
А
Я −1
Х′
+
е+
+
ν
е
[14]

Эти реакции соответствуют распаду нейтрона на протон или распаду протона на нейтрон внутри ядра соответственно. Эти реакции начинаются с одной или другой стороны долины стабильности, и направления реакций направлены на перемещение исходных нуклидов вниз по стенкам долины к области большей стабильности, то есть к большей энергии связи.

Отрицательная энергия связи на нуклон для нуклидов с атомным массовым числом 125, представленная в виде функции атомного числа. Профиль энергии связи поперек долины стабильности представляет собой примерно параболу. Теллур -125 ( 52 Te) стабилен, тогда как сурьма -125 ( 51 Sb) нестабильна по отношению к β−-распаду.

Рисунок справа показывает среднюю энергию связи на нуклон через долину стабильности для нуклидов с массовым числом A  = 125. [15] Внизу этой кривой находится теллур ( 52 Te), который стабилен. Нуклиды слева от 52 Te нестабильны при избытке нейтронов, в то время как те, что справа, нестабильны при избытке протонов. Поэтому нуклид слева претерпевает β распад, который преобразует нейтрон в протон, следовательно, сдвигает нуклид вправо и в сторону большей стабильности. Нуклид справа аналогичным образом претерпевает β + распад, который сдвигает нуклид влево и в сторону большей стабильности.

Тяжелые нуклиды подвержены α-распаду, и эти ядерные реакции имеют общую форму:

А
Я
Х
А -4
Я -2
Х′
+4
2
Он

Как и в β-распаде, продукт распада X′ имеет большую энергию связи и находится ближе к середине долины стабильности. α-частица уносит два нейтрона и два протона, оставляя более легкий нуклид. Поскольку тяжелые нуклиды имеют гораздо больше нейтронов, чем протонов, α-распад увеличивает отношение нейтронов к протонам нуклида.

Линии капель протонов и нейтронов

Границы долины стабильности, то есть верхние пределы стенок долины, являются нейтронной границей на стороне, богатой нейтронами, и протонной границей на стороне, богатой протонами. Нуклонные границы находятся на крайних значениях отношения нейтронов к протонам. При отношениях нейтронов к протонам за пределами границ границ не может существовать ни одно ядро. Местоположение нейтронной границы границ не очень хорошо известно для большей части диаграммы Сегре, тогда как протонные и альфа-границы границ были измерены для широкого спектра элементов. Границы границ определены для протонов, нейтронов и альфа-частиц, и все они играют важную роль в ядерной физике.

Разница в энергии связи между соседними нуклидами увеличивается по мере того, как стороны долины стабильности поднимаются, и соответственно периоды полураспада нуклидов уменьшаются, как показано на рисунке выше. Если бы мы добавляли нуклоны по одному к данному нуклиду, процесс в конечном итоге привел бы к новому образованному нуклиду, который настолько нестабилен, что он быстро распадается, испуская протон (или нейтрон). Говоря простым языком, нуклон «вытек» или «вытек» из ядра, отсюда и возник термин «линия капель».

Протонная эмиссия не наблюдается в природных нуклидах. Эмиттеры протонов могут быть получены посредством ядерных реакций , обычно с использованием линейных ускорителей частиц (ЛУ). Хотя мгновенная (т. е. не бета-задержанная) эмиссия протонов наблюдалась из изомера в кобальте-53 еще в 1969 году, никаких других состояний с эмиссией протонов не было обнаружено до 1981 года, когда в экспериментах в GSI в Западной Германии были обнаружены основные радиоактивные состояния протонов лютеция-151 и тулия-147 . [16] Исследования в этой области расцвели после этого прорыва, и на сегодняшний день обнаружено, что более 25 нуклидов демонстрируют эмиссию протонов. Изучение эмиссии протонов помогло понять ядерную деформацию, массы и структуру, и это пример квантового туннелирования .

Двумя примерами нуклидов, испускающих нейтроны, являются бериллий-13 (среднее время жизни2,7 × 10 −21  с ) и гелий-5 (7 × 10 −22  с ). Поскольку в этом процессе теряется только нейтрон, атом не приобретает и не теряет никаких протонов, и поэтому он не становится атомом другого элемента. Вместо этого атом станет новым изотопом исходного элемента, например, бериллий-13 станет бериллием-12 после испускания одного из своих нейтронов. [17]

В ядерной инженерии мгновенный нейтрон — это нейтрон, который немедленно испускается в результате ядерного деления . Мгновенные нейтроны возникают при делении нестабильного делящегося или делящегося тяжелого ядра почти мгновенно. Распад задержанных нейтронов может происходить в том же контексте, испускаясь после бета-распада одного из продуктов деления . Распад задержанных нейтронов может происходить в течение времени от нескольких миллисекунд до нескольких минут. [18] Комиссия по ядерному регулированию США определяет мгновенный нейтрон как нейтрон, возникающий при делении в течение 10−14 секунд . [19]

Остров стабильности

Остров стабильности — это область за пределами долины стабильности, где предсказывается, что набор тяжелых изотопов с почти магическими числами протонов и нейтронов локально изменит тенденцию к снижению стабильности в элементах тяжелее урана . Гипотеза острова стабильности основана на модели ядерных оболочек , которая подразумевает, что атомное ядро ​​построено в «оболочках» способом, аналогичным структуре гораздо более крупных электронных оболочек в атомах. В обоих случаях оболочки — это просто группы квантовых энергетических уровней , которые находятся относительно близко друг к другу. Энергетические уровни из квантовых состояний в двух различных оболочках будут разделены относительно большим энергетическим зазором. Поэтому, когда число нейтронов и протонов полностью заполняет энергетические уровни данной оболочки в ядре, энергия связи на нуклон достигнет локального максимума, и, таким образом, эта конкретная конфигурация будет иметь более длительное время жизни, чем близлежащие изотопы, которые не обладают заполненными оболочками. [20]

Заполненная оболочка будет иметь « магические числа » нейтронов и протонов. Одно возможное магическое число нейтронов для сферических ядер — 184, а некоторые возможные соответствующие числа протонов — 114, 120 и 126. Эти конфигурации подразумевают, что наиболее стабильными сферическими изотопами будут флеровий -298, унбинилий -304 и унбигексий -310. Особо следует отметить 298 Fl, который будет « дважды магическим » (и его число протонов 114, и число нейтронов 184 считаются магическими). ​​Эта дважды магическая конфигурация, скорее всего, будет иметь очень долгий период полураспада. Следующее более легкое дважды магическое сферическое ядро ​​— свинец -208, самое тяжелое известное стабильное ядро ​​и самый стабильный тяжелый металл.

Обсуждение

Долина стабильности может быть полезна для интерпретации и понимания свойств процессов ядерного распада, таких как цепочки распада и деление ядер .

Ряд урана-238 представляет собой ряд α (N и Z минус 2) и β− распадов (N минус 1, Z плюс 1) на нуклиды, которые последовательно глубже в долине стабильности. Ряд заканчивается на свинце-206, стабильном нуклиде на дне долины стабильности.

Радиоактивный распад часто происходит через последовательность шагов, известных как цепочка распада. Например, 238 U распадается на 234 Th, который распадается на 234m Pa и так далее, в конечном итоге достигая 206 Pb :

На каждом этапе этой последовательности реакций выделяется энергия, а продукты распада перемещаются дальше по долине стабильности к линии бета-стабильности. 206Pb стабилен и лежит на линии бета-стабильности.

Ядерное деление, наблюдаемое с ядром урана-235

Процессы деления , происходящие в ядерных реакторах, сопровождаются высвобождением нейтронов, которые поддерживают цепную реакцию . Деление происходит, когда тяжелый нуклид, такой как уран-235, поглощает нейтрон и распадается на нуклиды более легких элементов, таких как барий или криптон , обычно с высвобождением дополнительных нейтронов. Как и все нуклиды с высоким атомным числом, эти ядра урана требуют много нейтронов для поддержания своей стабильности, поэтому они имеют большое отношение нейтронов к протонам ( N / Z ). Ядра, полученные в результате деления ( продукты деления ), наследуют аналогичное отношение N / Z , но имеют атомные числа, которые примерно вдвое меньше, чем у урана. [1] Изотопы с атомным числом продуктов деления и отношением N / Z, близким к таковому у урана или других делящихся ядер, имеют слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными; Этот избыток нейтронов является причиной того, что в процессе деления обычно испускается несколько свободных нейтронов, но не свободных протонов, а также причиной того, что многие ядра продуктов деления претерпевают длинную цепочку β −- распадов, каждый из которых преобразует ядро ​​N / Z в ( N − 1)/( Z + 1), где N и Z — это, соответственно, число нейтронов и протонов, содержащихся в ядре.

Когда реакции деления поддерживаются с заданной скоростью, например, в жидкоохлаждаемом или твердотопливном ядерном реакторе, ядерное топливо в системе производит много антинейтрино для каждого произошедшего деления. Эти антинейтрино возникают в результате распада продуктов деления, которые по мере продвижения своих ядер по цепочке распада β к долине стабильности испускают антинейтрино вместе с каждой β частицей. В 1956 году Райнес и Коуэн использовали (ожидаемый) интенсивный поток антинейтрино из ядерного реактора в разработке эксперимента по обнаружению и подтверждению существования этих неуловимых частиц. [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefg Макинтош, Р.; Ай-Халили, Дж.; Джонсон, Б.; Пена, Т. (2001). Ядро: путешествие в сердце материи. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. стр. Глава 6. ISBN 0-801 8-6860-2.
  2. ^ Долина стабильности , получено 2023-12-01
  3. ^ abcd Бирн, Дж. (2011). Нейтроны, ядра и материя: исследование физики медленных нейтронов . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0486482385.
  4. ^ Шонесси, Д. «Открытие элементов 113 и 115». Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе . Получено 31 июля 2016 г.
  5. ^ Сиборг, Г. Т.; Лавленд, В.; Моррисси, Д. Дж. (1979). «Сверхтяжелые элементы: перепутье». Science . 203 (4382): 711–717. Bibcode :1979Sci...203..711S. doi :10.1126/science.203.4382.711. PMID  17832968. S2CID  20055062.
  6. ^ Chowdhury, P. Roy; Samanta, C.; Basu, DN (2008). "Поиск долгоживущих самых тяжелых ядер за пределами долины стабильности". Physical Review C. 77 ( 4): 044603. arXiv : 0802.3837 . Bibcode : 2008PhRvC..77d4603C. doi : 10.1103/PhysRevC.77.044603. S2CID  119207807.
  7. ^ Оценка науки о редких изотопах; Комитет по физике и астрономии; Отделение по инженерным и физическим наукам; Национальный исследовательский совет (2007). Научные возможности с редкими изотопами в Соединенных Штатах. National Academies Press. ISBN 9780309104081.
  8. ^ Бутин, К. (2002). «Выход из ядерной долины». CERN Courier . Получено 13 июля 2016 г.
  9. ^ Сиборг, ГТ (1987). «Сверхтяжелые элементы». Contemporary Physics . 28 : 33–48. Bibcode :1987ConPh..28...33S. doi :10.1080/00107518708211038.
  10. ^ Сакс (2004). «Привет с острова стабильности». The New York Times . Архивировано из оригинала 2023-10-13.
  11. ^ М. Ширбер (2012). "Фокус: Ядра испускают спаренные нейтроны". Физика . 5 : 30. Bibcode : 2012PhyOJ...5...30S. doi : 10.1103/physics.5.30.
  12. ^ Университет штата Орегон. "Ядерные массы и энергия связи. Урок 3" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2015 г. Получено 30 сентября 2015 г.
  13. ^ Fewell, MP (1995). «Атомный нуклид с самой высокой средней энергией связи». American Journal of Physics . 63 (7): 653–58. Bibcode : 1995AmJPh..63..653F. doi : 10.1119/1.17828.
  14. ^ ab Konya, J.; Nagy, NM (2012). Ядерная и радиохимия . Elsevier . стр. 74–75. ISBN 978-0-12-391487-3.
  15. ^ KS Krane (1988). Введение в ядерную физику . Нью-Йорк: John Wiley and Sons.
  16. ^ S. Hofmann (1996). Протонная радиоактивность, гл. 3 «Моды ядерного распада», ред. Dorin N. Poenaru . Institute of Physics Publishing, Bristol. стр. 143–203. ISBN 978-0-7503-0338-5.
  17. ^ "Нейтронная эмиссия" (веб-страница) . Получено 2014-10-30 .
  18. ^ DOE Fundamentals Handbook - Nuclear Physics and Reactor Theory (PDF) , DOE-HDBK-1019/1-93, Министерство энергетики США, январь 1993 г., стр. 29 (стр. 133 в формате .pdf), архивировано из оригинала (PDF) 2014-03-19 , извлечено 2010-06-03
  19. ^ Михальцо, Джон Т. (19 ноября 2004 г.), Обнаружение радиации при делении (PDF) , ORNL/TM-2004/234, Национальная лаборатория Ок-Ридж, стр. 1 (стр. 11 формата .pdf)
  20. ^ "Оболочковая модель ядра". HyperPhysics . Кафедра физики и астрономии, Университет штата Джорджия . Получено 22 января 2007 г.
  21. ^ Рейнес, Фредерик (8 декабря 1995 г.). «Нейтрино: от полтергейста до частицы» (PDF) . Нобелевский фонд . Получено 20 февраля 2015 г. . Нобелевская лекция

Внешние ссылки