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 (β − 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 .
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:
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]
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.
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
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 .
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
где A и Z — массовое число и атомный номер распадающегося ядра, а X и X′ — начальный и конечный нуклиды соответственно. Для β + распада общая форма имеет вид
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.
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:
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.
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 — 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.
Долина стабильности может быть полезна для интерпретации и понимания свойств процессов ядерного распада, таких как цепочки распада и деление ядер .
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.
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]
Нобелевская лекция