Распад кластера

Ядерный распад, при котором атомное ядро ​​испускает небольшой кластер нейтронов и протонов.

Кластерный распад , также называемый радиоактивностью тяжелых частиц , радиоактивностью тяжелых ионов или тяжелым кластерным распадом , ^[1] является редким типом ядерного распада, при котором атомное ядро ​​испускает небольшой «кластер» нейтронов и протонов , больше, чем в альфа-частице , но меньше, чем типичный фрагмент бинарного деления . Тройное деление на три фрагмента также производит продукты размером с кластер.

Описание

Потеря протонов из родительского ядра превращает его в ядро ​​другого элемента, дочернего, с массовым числом A _d = A − A _e и атомным номером Z _d = Z − Z _e , где A _e = N _e + Z _e . ^[2] Например:

²²³
₈₈Ра
→¹⁴
₆С
+²⁰⁹
₈₂свинец

Согласно «золотому правилу Ронена» кластерного распада, испускаемое ядро, как правило, имеет высокую энергию связи на нуклон и, в особенности, магическое число нуклонов. ^[3]

Этот тип редкого режима распада наблюдался в радиоизотопах , которые распадаются преимущественно путем альфа-излучения , и он встречается только в небольшом проценте распадов для всех таких изотопов. ^[4]

Коэффициент ветвления по отношению к альфа-распаду довольно мал (см. таблицу ниже).

${\displaystyle B=T_{a}/T_{c}}$

T _a и T _c — периоды полураспада родительского ядра относительно альфа-распада и кластерной радиоактивности соответственно.

Распад кластера, как и альфа-распад, представляет собой процесс квантового туннелирования: для того, чтобы испуститься, кластер должен преодолеть потенциальный барьер. Это другой процесс, чем более случайный ядерный распад, который предшествует испусканию легких фрагментов при тройном делении , которое может быть результатом ядерной реакции , но также может быть типом спонтанного радиоактивного распада в определенных нуклидах, демонстрируя, что для деления не обязательно требуется входная энергия, которая остается принципиально другим процессом с точки зрения механики.

При отсутствии потерь энергии на деформацию и возбуждение осколков, как в явлениях холодного деления или при альфа-распаде, полная кинетическая энергия равна значению Q и делится между частицами обратно пропорционально их массам, как того требует закон сохранения линейного импульса.

${\displaystyle E_{k}=QA_{d}/A}$

где A _d — массовое число дочернего элемента, A _d = A − A _e .

Кластерный распад занимает промежуточное положение между альфа-распадом (при котором ядро ​​выплевывает ядро ^​​4He ) и спонтанным делением , при котором тяжелое ядро ​​распадается на два (или более) крупных фрагмента и различное число нейтронов. Спонтанное деление заканчивается вероятностным распределением дочерних продуктов, что отличает его от кластерного распада. При кластерном распаде для данного радиоизотопа испускаемая частица является легким ядром, и метод распада всегда испускает эту же частицу. Для более тяжелых испускаемых кластеров в остальном практически нет качественной разницы между кластерным распадом и спонтанным холодным делением.

История

Первые сведения об атомном ядре были получены в начале 20-го века путем изучения радиоактивности. Долгое время были известны только три вида ядерных мод распада ( альфа , бета и гамма ). Они иллюстрируют три фундаментальных взаимодействия в природе: сильное , слабое и электромагнитное . Спонтанное деление стало лучше изучаться вскоре после его открытия в 1940 году Константином Петржаком и Георгием Флёровым из-за как военного, так и мирного применения вынужденного деления. Оно было открыто около 1939 года Отто Ганом , Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом .

Существует много других видов радиоактивности, например, кластерный распад, испускание протонов , различные бета-задержанные моды распада (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, альфа, f), изомеры деления , сопровождаемое частицами (тройное) деление и т. д. Высота потенциального барьера, в основном кулоновского характера, для испускания заряженных частиц намного выше наблюдаемой кинетической энергии испускаемых частиц. Спонтанный распад может быть объяснен только квантовым туннелированием аналогично первому применению квантовой механики к ядрам, данному Г. Гамовым для альфа-распада.

В 1980 году А. Сандулеску, Д. Н. Поенару и В. Грейнер описали расчеты, указывающие на возможность нового типа распада тяжелых ядер, промежуточного между альфа-распадом и спонтанным делением. Первым наблюдением радиоактивности тяжелых ионов было наблюдение 30-МэВ излучения углерода-14 из радия-223, проведенное Х. Дж. Роузом и Г. А. Джонсом в 1984 году.

-  Британская энциклопедия, ^[5]

Обычно теория объясняет уже экспериментально наблюдаемое явление. Распад кластера — один из редких примеров явлений, предсказанных до экспериментального открытия. Теоретические предсказания были сделаны в 1980 году ^[6] , за четыре года до экспериментального открытия. ^[7]

Были использованы четыре теоретических подхода: теория фрагментации путем решения уравнения Шредингера с массовой асимметрией в качестве переменной для получения массовых распределений фрагментов; расчеты проницаемости, аналогичные тем, которые используются в традиционной теории альфа-распада, и суперасимметричные модели деления, численные (NuSAF) и аналитические (ASAF). Суперасимметричные модели деления основаны на макроскопическом-микроскопическом подходе ^[8] с использованием энергий уровней асимметричной двухцентровой модели оболочек ^{[9] [10]} в качестве входных данных для поправок на оболочку и спаривание. Для расчета макроскопической энергии деформации использовались либо модель жидкой капли ^[11], либо модель Юкавы-плюс-экспоненциальная ^[12], расширенная до различных отношений заряда к массе ^{[13] .}

Теория проницаемости предсказала восемь режимов распада: ¹⁴ C, ²⁴ Ne, ²⁸ Mg, ^32,34 Si, ⁴⁶ Ar и ^48,50 Ca из следующих родительских ядер: ^222,224 Ra, ^230,232 Th, ^236,238 U, ^244,246 Pu, ^248,250 Cm, ^250,252 Cf, ^252,254 Fm и ^252,254 No. ^[14]

Первый экспериментальный отчет был опубликован в 1984 году, когда физики Оксфордского университета обнаружили, что ²²³ Ra испускает одно ядро ^​​14 C на каждый миллиард (10 ⁹ ) распадов путем альфа-излучения.

Теория

Квантовое туннелирование можно рассчитать либо путем расширения теории деления до большей асимметрии масс, либо с помощью более тяжелой испускаемой частицы из теории альфа-распада . ^[15]

Оба подхода, подобный делению и альфа-подобный, способны выразить константу распада как произведение трех модельно-зависимых величин ${\displaystyle \lambda =\ln 2/T_{\text{c}}}$

${\displaystyle \lambda =\nu SP_{\text{s}}}$

где - частота атак на барьер в секунду, S - вероятность преформирования кластера на поверхности ядра, а P _s - проницаемость внешнего барьера. В альфа-подобных теориях S - интеграл перекрытия волновой функции трех партнеров (родительского, дочернего и испущенного кластера). В теории деления вероятность преформирования - это проницаемость внутренней части барьера от начальной точки поворота R _i до точки касания R _t . ^[16] Очень часто ее вычисляют с использованием приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ). ${\displaystyle \nu }$

Очень большое количество, порядка 10 ⁵ , исходных кластерных комбинаций были рассмотрены в систематическом поиске новых режимов распада . Большой объем вычислений может быть выполнен за разумное время с использованием модели ASAF, разработанной Дорином Н. Поенару , Уолтером Грейнером и др. Эта модель была первой, которая использовалась для предсказания измеримых величин в кластерном распаде. Более 150 режимов кластерного распада были предсказаны до того, как были опубликованы какие-либо другие виды расчетов полураспада. Были опубликованы всеобъемлющие таблицы периодов полураспада , коэффициентов ветвления и кинетических энергий, например ^{[17] [18]} Формы потенциальных барьеров, аналогичные тем, которые рассматривались в рамках модели ASAF, были рассчитаны с использованием макроскопически-микроскопического метода. ^[19]

Ранее ^[20] было показано, что даже альфа-распад можно считать частным случаем холодного деления . Модель ASAF может быть использована для описания холодного альфа-распада, кластерного распада и холодного деления единым образом (см. рисунок 6.7, стр. 287 работы [2]).

Можно получить с хорошим приближением одну универсальную кривую (UNIV) для любого вида кластерного распада с массовым числом Ae, включая альфа-распад

${\displaystyle \log T=-\log P_{s}-22.169+0.598(A_{e}-1)}$

В логарифмическом масштабе уравнение log T = f(log P _s ) представляет собой одну прямую линию, которую можно удобно использовать для оценки периода полураспада. Единая универсальная кривая для альфа-распада и кластерных мод распада получается путем выражения log T + log S = f(log P _s ). ^[21] Экспериментальные данные по кластерному распаду в трех группах четно-четных, четно-нечетных и нечетно-четных родительских ядер воспроизводятся с сопоставимой точностью обоими типами универсальных кривых, UNIV и UDL ^[22], полученными с использованием теории альфа-подобной R-матрицы.

Для того чтобы найти выделившуюся энергию

${\displaystyle Q=[M-(M_{d}+M_{e})]c^{2}}$

можно воспользоваться компиляцией измеренных масс ^[23] M, M _d и M _e родительского, дочернего и испущенного ядер, c — скорость света. Избыток массы преобразуется в энергию по формуле Эйнштейна E = mc ² .

Эксперименты

Основная экспериментальная трудность в наблюдении распада кластера возникает из-за необходимости идентификации нескольких редких событий на фоне альфа-частиц. Экспериментально определяемыми величинами являются парциальный период полураспада T _c и ​​кинетическая энергия испускаемого кластера E _k . Также необходимо идентифицировать испускаемую частицу.

Обнаружение излучений основано на их взаимодействии с веществом, что приводит в основном к ионизации. Используя полупроводниковый телескоп и традиционную электронику для идентификации ионов ¹⁴ C, эксперимент Роуза и Джонса продолжался около шести месяцев, чтобы получить 11 полезных событий.

С помощью современных магнитных спектрометров (SOLENO и Enge-split pole) в Орсе и Аргоннской национальной лаборатории (см. гл. 7 в [2], стр. 188–204) можно было использовать очень сильный источник, так что результаты были получены в течение нескольких часов.

Для преодоления этой трудности использовались твердотельные ядерные трековые детекторы (SSNTD), нечувствительные к альфа-частицам, и магнитные спектрометры, в которых альфа-частицы отклоняются сильным магнитным полем. SSNTD дешевы и удобны, но для них требуется химическое травление и сканирование микроскопом.

Ключевую роль в экспериментах по изучению кластерных мод распада, проведенных в Беркли, Орсе, Дубне и Милане, сыграли П. Буфорд Прайс, Эйд Хурани, Мишель Юссоннуа, Светлана Третьякова, А.А. Оглоблин, Роберто Бонетти и их коллеги.

Основная область из 20 экспериментально наблюдавшихся до 2010 года излучателей находится выше Z = 86: ²²¹ Fr, ^221-224,226 Ra, ^223,225 Ac, ^228,230 Th, ²³¹ Pa, ^230,232-236 U, ^236,238 Pu и ²⁴² Cm. Только верхние пределы могли быть обнаружены в следующих случаях: ¹² C распад ¹¹⁴ Ba, ¹⁵ N распад ²²³ Ac, ¹⁸ O распад ²²⁶ Th, ^24,26 Ne распады ²³² Th и ²³⁶ U, ²⁸ Mg распады ^232,233,235 U, ³⁰ Mg распад ²³⁷ Np и ³⁴ Si распад ²⁴⁰ Pu и ²⁴¹ Am.

Некоторые из кластерных излучателей являются членами трех естественных радиоактивных семейств. Другие должны быть получены в результате ядерных реакций. До сих пор не наблюдалось ни одного нечетно-нечетного излучателя.

Из многих режимов распада с периодами полураспада и отношениями ветвления относительно альфа-распада, предсказанных с помощью аналитической модели суперасимметричного деления (ASAF), следующие 11 были экспериментально подтверждены: ¹⁴ C, ²⁰ O, ²³ F, ^22,24-26 Ne, ^28,30 Mg и ^32,34 Si. Экспериментальные данные хорошо согласуются с предсказанными значениями. Можно увидеть сильный оболочечный эффект: как правило, самое короткое значение периода полураспада получается, когда дочернее ядро ​​имеет магическое число нейтронов (N _d = 126) и/или протонов (Z _d = 82).

Известные выбросы кластеров по состоянию на 2010 год следующие: ^{[24] [25] [26]}

Тонкая структура

Тонкая структура в радиоактивности ^{14 C 223} Ra впервые обсуждалась М. ​​Грейнером и В. Шайдом в 1986 году. ^[27] Сверхпроводящий спектрометр SOLENO IPN Orsay использовался с 1984 года для идентификации кластеров ¹⁴ C, испускаемых ядрами ^{222–224,226} Ra. Более того, он использовался для обнаружения ^{[28] [29]} тонкой структуры, наблюдая переходы в возбужденные состояния дочернего ядра. Переход с возбужденным состоянием ¹⁴ C, предсказанный в ^[27], еще не наблюдался.

Удивительно, но экспериментаторы увидели переход в первое возбужденное состояние дочернего ядра, более сильный, чем переход в основное состояние. Переход благоприятен, если неспаренный нуклон остается в том же состоянии как в родительском, так и в дочернем ядре. В противном случае разница в структуре ядра приводит к большому затруднению.

Интерпретация ^[30] подтвердилась: основная сферическая компонента деформированной материнской волновой функции имеет характер i _11/2 , т.е. основная компонента является сферической.

Ссылки

1. Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae."
2. Poenaru, Dorin N. ; Greiner, Walter (2011). «Кластерная радиоактивность». Кластеры в ядрах I . Конспект лекций по физике. Том 818. Берлин: Springer. С. 1–56. ISBN 978-3-642-13898-0.
3. Таварес, ОАП; Роберто, ЛАМ; Медейрос, ЭЛ (2007). «Радиоактивный распад при испускании тяжелых ядерных фрагментов». Physica Scripta . 76 : 375–384. doi :10.1088/0031-8949/76/4/016.
4. Poenaru, DN; Greiner, W. (1996). Режимы ядерного распада . Бристоль: Institute of Physics Publishing. С. 1–577. ISBN 978-0-7503-0338-5.
5. Британская энциклопедия Интернет. 2011.
6. Сандулеску, А.; Поэнару, Д.Н.; Грейнер, В. «Новый тип распада тяжелых ядер, промежуточный между делением и альфа-распадом». Советский журнал частиц и ядер . 11 : 528–541. ОСТИ  6189038.
7. Rose, HJ; Jones, GA (1984). «Новый вид естественной радиоактивности». Nature . 307 (5948): 245–247. Bibcode :1984Natur.307..245R. doi :10.1038/307245a0. S2CID  4312488.
8. Струтинский, В. М. (1967). «Оболочечные эффекты в ядерных массах и энергиях деформации». Ядерная физика А. 95 ( 2): 420–442. Bibcode :1967NuPhA..95..420S. doi :10.1016/0375-9474(67)90510-6.
9. Марун, Иоахим; Грейнер, Уолтер (1972). «Модель асимметричной оболочки с двумя центрами». Zeitschrift für Physik . 251 (5): 431–457. Бибкод : 1972ZPhy..251..431M. дои : 10.1007/BF01391737. S2CID  117002558.
10. Gherghescu, RA (2003). "Деформированная двухцентровая модель оболочки". Physical Review C. 67 ( 1): 014309. arXiv : nucl-th/0210064 . Bibcode : 2003PhRvC..67a4309G. doi : 10.1103/PhysRevC.67.014309. S2CID  119429669.
11. Майерс, Уильям Д.; Святецкий, Владислав Дж. (1966). «Ядерные массы и деформации». Ядерная физика . 81 : 1–60. doi :10.1016/0029-5582(66)90639-0.
12. Krappe, HJ; Nix, JR; Sierk, AJ (1979). «Единый ядерный потенциал для упругого рассеяния тяжелых ионов, слияния, деления и масс и деформаций основного состояния». Physical Review C. 20 ( 3): 992–1013. Bibcode : 1979PhRvC..20..992K. doi : 10.1103/PhysRevC.20.992.
13. Poenaru, DN; Ivaşcu, M.; Mazilu, D. (1980). "Сложенная модель Юкавы-плюс-экспоненциальная pes для ядер с различной плотностью заряда". Computer Physics Communications . 19 (2): 205–214. Bibcode : 1980CoPhC..19..205P. doi : 10.1016/0010-4655(80)90051-X.
14. Poenaru, DN; Greiner, W. (1995). "Ядерный распад с помощью кластерной эмиссии" (PDF) . Europhys. Новости . Получено 15 декабря 2023 г. .
15. Блендовске, Р.; Флисбах, Т.; Валлисер, Х. (1996). Режимы ядерного распада . Бристоль: Издательство Института физики. С. 337–349. ISBN 978-0-7503-0338-5.
16. Поэнару, Дорин Н.; Грейнер, Уолтер (1991). «Преформирование кластеров как проницаемость барьера». Физика Скрипта . 44 (5): 427–429. Бибкод : 1991PhyS...44..427P. дои : 10.1088/0031-8949/44/5/004. S2CID  250885957.
17. Poenaru, DN; Ivascu, M.; Sandulescu, A.; Greiner, W. (1984). «Спонтанное излучение тяжелых кластеров». Journal of Physics G. 10 ( 8): L183–L189. Bibcode :1984JPhG...10L.183P. doi :10.1088/0305-4616/10/8/004. S2CID  250844668.
18. Поэнару, Д.Н.; Шнабель, Д.; Грейнер, В.; Мазилу, Д.; Гергеску, Р. (1991). «Ядерное время жизни кластерной радиоактивности». Таблицы атомных и ядерных данных . 48 (2): 231–327. Бибкод : 1991ADNDT..48..231P. дои : 10.1016/0092-640X(91)90008-R.
19. Поэнару, Дорин Н.; Гергеску, Раду А.; Грейнер, Уолтер (2006). «Поверхности потенциальной энергии кластерных излучающих ядер». Физический обзор C . 73 (1): 014608. arXiv : nucl-th/0509073 . Бибкод : 2006PhRvC..73a4608P. doi : 10.1103/PhysRevC.73.014608. S2CID  119434512.
20. Poenaru, DN; Ivascu, M.; Sandulescu, A. (1979). «Альфа-распад как процесс, подобный делению». Journal of Physics G. 5 ( 10): L169–L173. Bibcode : 1979JPhG....5L.169P. doi : 10.1088/0305-4616/5/10/005. S2CID  250859467.
21. Поэнару, Д.Н.; Гергеску, РА; Грейнер, В. (2011). «Единая универсальная кривая кластерной радиоактивности и α-распада». Физический обзор C . 83 (1): 014601. Бибкод : 2011PhRvC..83a4601P. doi : 10.1103/PhysRevC.83.014601.
22. Qi, C.; Xu, FR; Liotta, RJ; Wyss, R. (2009). "Универсальный закон распада в излучении заряженных частиц и экзотической кластерной радиоактивности". Physical Review Letters . 103 (7): 072501. arXiv : 0909.4492 . Bibcode :2009PhRvL.103g2501Q. doi :10.1103/PhysRevLett.103.072501. PMID  19792636. S2CID  34973496.
23. Audi, G.; Wapstra, AH; Thibault, C. (2003). «Оценка атомной массы Ame2003». Nuclear Physics A. 729 ( 1): 337–676. Bibcode : 2003NuPhA.729..337A. doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
24. Баум, Э. М. и др. (2002). Нуклиды и изотопы: Карта нуклидов (16-е изд.). Лаборатория атомной энергетики Ноллса (Lockheed Martin).
25. Бонетти, Р.; Гульельметти, А. (2007). «Кластерная радиоактивность: обзор спустя двадцать лет» (PDF) . Romanian Reports in Physics . 59 : 301–310. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2016 г.
26. Гульельметти, А.; Фаччо, Д.; Бонетти, Р.; Шишкин С.В.; Третьякова, ИП; Дмитриев С.В.; Оглоблин А.А.; Пик-Пичак, Джорджия; ван дер Мейлен, НП; Стейн, Г.Ф.; ван дер Уолт, Теннесси; Вермюлен, К.; МакГи, Д. (2008). «Радиоактивность углерода 223Ac и поиск эмиссии азота». Физический журнал: серия конференций . 111 (1): 012050. Бибкод : 2008JPhCS.111a2050G. дои : 10.1088/1742-6596/111/1/012050 .
27. Greiner, M.; Scheid, W. (1986). "Радиоактивный распад в возбужденные состояния посредством эмиссии тяжелых ионов". Journal of Physics G. 12 ( 10): L229–L234. Bibcode :1986JPhG...12L.229G. doi :10.1088/0305-4616/12/10/003. S2CID  250914956.
28. Бриллард, Л.; Элайи, АГ; Хурани, Э.; Юссоннуа, М.; Ле Дю, JF; Розье, Л.Х.; Стаб, Л. (1989). «Mise en évidence d'une Structure Fine dans la Radioactivité ¹⁴ C». ЧР акад. наук. Париж . 309 : 1105–1110.
29. Hourany, E.; Berrier-Ronsin, G.; Elayi, A.; Hoffmann-Rothe, P.; Mueller, AC; Rosier, L.; Rotbard, G.; Renou, G.; Lièbe, A.; Poenaru, DN; Ravn, HL (1995). "Ядерная спектроскопия 223Ra в радиоактивности 14C". Physical Review C. 52 ( 1): 267–270. Bibcode : 1995PhRvC..52..267H. doi : 10.1103/physrevc.52.267. PMID  9970505.
30. Шелайн, РК; Рагнарссон, И. (1991). «Интерпретация тонкой структуры радиоактивного распада ^{14 C 223} Ra». Physical Review C. 43 ( 3): 1476–1479. Bibcode :1991PhRvC..43.1476S. doi :10.1103/PhysRevC.43.1476. PMID  9967191.

Внешние ссылки

• Национальный центр ядерных данных