stringtranslate.com

Стабильные изобары бета-распада

Стабильные изобары бета-распада — это набор нуклидов , которые не могут подвергаться бета-распаду , то есть превращению нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра . Подмножество этих нуклидов также стабильно относительно двойного бета-распада или теоретически более высокого одновременного бета-распада, поскольку они имеют самую низкую энергию из всех изобар с тем же массовым числом .

Этот набор нуклидов также известен как линия бета-стабильности , термин, который уже был общеупотребительным в 1965 году. [1] [2] Эта линия проходит по дну ядерной долины стабильности .

Введение

Линия бета-стабильности может быть определена математически путем нахождения нуклида с наибольшей энергией связи для заданного массового числа, с помощью модели, такой как классическая полуэмпирическая формула массы, разработанная К. Ф. Вайцзеккером . Эти нуклиды являются локальными максимумами с точки зрения энергии связи для заданного массового числа.

Все нечетные массовые числа имеют только один стабильный нуклид, подвергающийся бета-распаду.

Среди четных массовых чисел пять (124, 130, 136, 150, 154) имеют три бета-стабильных нуклида. Ни один не имеет больше трех; все остальные имеют либо один, либо два.

Все первичные нуклиды стабильны к бета-распаду, за исключением 40 K, 50 V, 87 Rb, 113 Cd, 115 In, 138 La, 176 Lu и 187 Re. Кроме того, 123 Te и 180m Ta не были замечены для распада, но считается, что они подвергаются бета-распаду с чрезвычайно длительным периодом полураспада (более 10 15 лет). ( 123 Te может подвергаться захвату электронов только до 123 Sb, тогда как 180m Ta может распадаться в обоих направлениях, до 180 Hf или 180 W.) Среди непервичных нуклидов есть некоторые другие случаи теоретически возможного, но никогда не наблюдавшегося бета-распада, в частности, включая 222 Rn и 247 Cm (наиболее стабильные изотопы их элементов, учитывая все режимы распада). Наконец, 48Ca и 96Zr не подвергаются бета-распаду (что теоретически возможно для обоих), но для обоих известен двойной бета-распад.

Известно, что все элементы вплоть до нобелия , за исключением технеция , прометия и менделевия , имеют по крайней мере один бета-стабильный изотоп. Известно, что технеций и прометий не имеют бета-стабильных изотопов; текущие погрешности измерений недостаточны, чтобы сказать, есть ли они у менделевия или нет.

Список известных стабильных изобар бета-распада

В настоящее время известно 350 стабильных нуклидов бета-распада. [3] [4] Теоретически предсказанный или экспериментально наблюдаемый двойной бета-распад показан стрелками, т.е. стрелки указывают на изобару с самой легкой массой. Иногда в ней доминирует альфа-распад или спонтанное деление , особенно для тяжелых элементов. Возможные режимы распада указаны как α для альфа-распада, SF для спонтанного деления и n для испускания нейтронов в особом случае 5 He. Для массы 5 вообще нет связанных изобар; для массы 8 есть связанные изобары, но бета-стабильный 8 Be не связан. [5]

Существуют два стабильных в отношении бета-распада нуклида для нечетных чисел нейтронов: 1 ( 2 H и 3 He), 3 ( 5 He и 6 Li – первый имеет чрезвычайно короткий период полураспада), 5 ( 9 Be и 10 B), 7 ( 13 C и 14 N), 55 ( 97 Mo и 99 Ru) и 85 ( 145 Nd и 147 Sm); первые четыре случая включают очень легкие нуклиды, где нечетно-нечетные нуклиды более стабильны, чем окружающие их четно-четные изобары, а последние два окружают числа протонов 43 и 61, у которых нет бета-стабильных изотопов. Кроме того, существуют два стабильных в бета-распаде нуклида для нечетных чисел протонов 1, 3, 5, 7, 17, 19, 29, 31, 35, 47, 51, 63, 77, 81 и 95; первые четыре случая включают очень легкие нуклиды, где нечетно-нечетные нуклиды более стабильны, чем окружающие их четно-четные изобары, а другие числа окружают нейтронные числа 19, 21, 35, 39, 45, 61, 71, 89, 115, 123, 147, которые не имеют бета-стабильных изотопов. (Для N = 21 существует долгоживущий первичный 40 K , а для N = 71 существует 123 Te, захват электронов которого пока не наблюдался, но ни один из них не является бета-стабильным.)

Все четные числа протонов 2 ≤ Z ≤ 102 имеют по крайней мере два стабильных нуклида бета-распада, ровно два для Z = 4 ( 8 Be и 9 Be – первый имеет чрезвычайно короткий период полураспада) и 6 ( 12 C и 13 C). Кроме того, единственные четные числа нейтронов с только одним стабильным нуклидом бета-распада – это 0 ( 1 H) и 2 ( 4 He); По крайней мере два стабильных в отношении бета-распада нуклида существуют для четных чисел нейтронов в диапазоне 4 ≤ N ≤ 160, причем ровно два из них существуют для N = 4 ( 7 Li и 8 Be), 6 ( 11 B и 12 C), 8 ( 15 N и 16 O), 66 ( 114 Cd и 116 Sn, отметим также первичные, но не бета-стабильные 115 In), 120 ( 198 Pt и 200 Hg) и 128 ( 212 Po и 214 Rn — оба очень нестабильны к альфа-распаду ). Существует семь стабильных в бета-распаде нуклидов для магического N = 82 ( 136 Xe, 138 Ba, 139 La, 140 Ce, 141 Pr, 142 Nd и 144 Sm) и пять для N = 20 ( 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K и 40 Ca), 50 ( 86 Kr, 88 Sr, 89 Y, 90 Zr и 92 Mo, отмечая также первичные, но не бета-стабильные 87 Rb), 58 ( 100 Mo, 102 Ru, 103 Rh, 104 Pd и 106 Cd), 74 ( 124 Sn, 126 Te, 127 I, 128 Xe и 130 Ba), 78 ( 130 Te, 132 Xe, 133 Cs, 134 Ba и 136 Ce), 88 ( 148 Nd, 150 Sm, 151 Eu, 152 Gd и 154 Dy – последний не изначальный) и 90 ( 150 Nd, 152 Sm, 153 Eu, 154 Gd и 156 Dy).

Для A ≤ 209 единственными стабильными в бета-распаде нуклидами, которые не являются первичными нуклидами , являются 5He , 8Be , 146Sm , 150Gd и 154Dy . ( 146Sm имеет достаточно длительный период полураспада, чтобы он едва мог выжить в качестве первичного нуклида, но это никогда не было экспериментально подтверждено.)

Одна карта известных и предсказанных нуклидов до Z = 149, N = 256. Черным обозначена предсказанная линия бета-стабильности, которая хорошо согласуется с экспериментальными данными, хотя она не может предсказать, что Tc и Pm не имеют бета-стабильного изотопа (разница масс, вызывающая эти аномалии, невелика). Острова стабильности, как предсказывают, центрируются около 294 Ds и 354 126, за пределами которых модель, по-видимому, отклоняется от нескольких правил полуэмпирической формулы массы. [11]

Известно, что все стабильные в бета-распаде нуклиды с A ≥ 209 подвергаются альфа-распаду, хотя для некоторых доминирующим режимом распада является спонтанное деление. Кластерный распад иногда также возможен, но во всех известных случаях это второстепенная ветвь по сравнению с альфа-распадом или спонтанным делением. Альфа-распад энергетически возможен для всех бета-стабильных нуклидов с A ≥ 165, за исключением 204 Hg, но в большинстве случаев значение Q достаточно мало, чтобы такой распад никогда не наблюдался. [12] За исключением 262 Нет, ни один нуклид с A > 260 не был окончательно идентифицирован как бета-стабильный. 260 Fm не подтвержден. [10] Более того, известные бета-стабильные ядра для отдельных масс A > 257 могут не представлять полный набор. [11] [13]

Ожидается, что общие закономерности бета-стабильности продолжатся в области сверхтяжелых элементов , хотя точное местоположение центра долины стабильности зависит от модели. Широко распространено мнение, что остров стабильности существует вдоль линии бета-стабильности для изотопов элементов вокруг коперниция , которые стабилизируются замыканиями оболочек в этой области; такие изотопы распадаются в основном через альфа-распад или спонтанное деление. [14] За пределами острова стабильности различные модели, которые правильно предсказывают многие известные бета-стабильные изотопы, также предсказывают аномалии на линии бета-стабильности, которые не наблюдаются ни в одном из известных нуклидов, такие как существование двух бета-стабильных нуклидов с одинаковым нечетным массовым числом. [11] [15] Это является следствием того факта, что полуэмпирическая формула массы должна учитывать коррекцию оболочки и ядерную деформацию, которые становятся гораздо более выраженными для тяжелых нуклидов. [15] [16]

Бета-стабильные полностью ионизированные ядра (со всеми лишёнными электронов) несколько отличаются. Во-первых, если богатый протонами нуклид может распадаться только путём электронного захвата (потому что разница в энергии между родительским и дочерним ядрами меньше 1,022  МэВ , количества энергии распада, необходимого для испускания позитрона ), то полная ионизация делает распад невозможным. Это происходит, например, для 7Be . [17] Более того, иногда разница в энергии такова, что в то время как β −- распад нарушает закон сохранения энергии для нейтрального атома, для соответствующего голого ядра возможен связанный β −- распад (при котором электрон распада остаётся связанным с дочерним ядром на атомной орбитали). В диапазоне 2 ≤ A ≤ 270 это означает, что 163 Dy, 193 Ir, 205 Tl, 215 At и 243 Am среди бета-стабильных нейтральных нуклидов перестают быть бета-стабильными как голые нуклиды и заменяются своими дочерними элементами 163 Ho, 193 Pt, 205 Pb, 215 Rn и 243 Cm. [18]

Бета-распад в сторону минимальной массы

Бета-распад обычно заставляет нуклиды распадаться в направлении изобары с наименьшей массой (которая часто, но не всегда, является изобарой с наибольшей энергией связи) с тем же массовым числом. Те, у кого атомный номер ниже и число нейтронов выше , чем у изобары с минимальной массой, подвергаются бета-минус-распаду , в то время как те, у кого атомный номер выше и число нейтронов ниже, подвергаются бета-плюс-распаду или захвату электронов .

Однако есть несколько нечетно-нечетных нуклидов между двумя бета-стабильными четно-четными изобарами, которые преимущественно распадаются до более высокой -массы двух бета-стабильных изобар. Например, 40 K может либо подвергнуться электронному захвату или испусканию позитрона до 40 Ar, либо подвергнуться бета-минус-распаду до 40 Ca: оба возможных продукта являются бета-стабильными. Первый процесс произведет более легкую из двух бета-стабильных изобар, однако последний встречается чаще.

Примечания

  1. ^ 48 Ca теоретически способен к бета-распаду до 48 Sc, что делает его не бета-стабильным нуклидом. Однако такой процесс никогда не наблюдался, имея частичный период полураспада более 1,1+0,8
    −0,6    ×10 21  лет, что больше, чем период полураспада двойного бета-распада, а это означает, что двойной бета-распад обычно происходит первым. [6]
  2. ^ 96 Zr теоретически способен к бета-распаду до 96 Nb, что делает его не бета-стабильным нуклидом. Однако такой процесс никогда не наблюдался, имея частичный период полураспада более 2,4×10 19  лет, что больше, чем его двойной период полураспада бета-распада, что означает, что двойной бета-распад обычно происходит первым. [7]
  3. ^ 148 Gd ранее считался третьей бета-стабильной изобарой для массы 148, [5], но согласно текущим определениям массы он имеет большую массу, чем 148 Eu, и может подвергаться электронному захвату. Тем не менее, разница в массе очень мала (27,0 кэВ, даже ниже, чем также невидимый электронный захват 123 Te), и только альфа-распад наблюдался экспериментально для 148 Gd.
  4. ^ В то время как оценка атомной массы AME2020 дает 222 Rn меньшую массу, чем 222 Fr, [8] подразумевая бета-стабильность, предсказывается, что одиночный бета-распад 222 Rn энергетически возможен (хотя и с очень низкой энергией распада ), [9] и он попадает в пределы погрешности, указанные в AME2020. [8] Следовательно, текущие определения массы не могут окончательно определить, является ли 222 Rn бета-стабильным или нет, хотя для этого нуклида экспериментально известен только режим альфа-распада, а поиск бета-распада дал более низкий предел частичного периода полураспада в 8 лет. [9]
  5. ^ Хотя оценка атомной массы AME2020 дает 259 Md меньшую массу, чем 259 Fm, [8] подразумевая бета-стабильность, погрешность между ними больше, чем разница масс. [8] Следовательно, текущие определения массы не могут окончательно определить, какой из 259 Fm и 259 Md является бета-стабильным.
  6. ^ Открытие этого нуклида не подтверждено.
  7. ^ Не существует известной бета-стабильной изобары для массы 261, хотя они известны для окружающих масс 260 и 262. Различные модели предполагают, что один из неоткрытых 261 Md и 261 No должен быть бета-стабильным. [10] [11]

Ссылки

  1. ^ Труды Международного симпозиума «Почему и как мы должны исследовать нуклиды, находящиеся далеко за пределами линии стабильности», Люсечиль, Швеция, август 1966 г., ред. В. Форслинг, К. Дж. Херрландер и Х. Райд, Стокгольм, Almqvist & Wiksell, 1967 г.
  2. ^ Хансен, ПГ (1979). «Ядра, далекие от линии бета-стабильности: исследования методом массового разделения в режиме реального времени». Annual Review of Nuclear and Particle Science . 29 : 69–119. Bibcode : 1979ARNPS..29...69H. doi : 10.1146/annurev.ns.29.120179.000441 .
  3. ^ "Интерактивная карта нуклидов (Брукхейвенская национальная лаборатория)". Архивировано из оригинала 2020-07-25 . Получено 2009-06-19 .
  4. ^ Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "Оценка ядерных свойств с помощью NUBASE2016" (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  5. ^ ab Третьяк, ВИ; Здесенко, Ю.Г. (2002). "Таблицы данных по двойному бета-распаду — обновление". At. Data Nucl. Data Tables . 80 (1): 83–116. Bibcode :2002ADNDT..80...83T. doi :10.1006/adnd.2001.0873.
  6. ^ Aunola, M.; Suhonen, J.; Siiskonen, T. (1999). "Исследование на основе оболочечной модели строго запрещенного бета-распада 48 Ca → 48 Sc". EPL . 46 (5): 577. Bibcode :1999EL.....46..577A. doi :10.1209/epl/i1999-00301-2.
  7. ^ Finch, SW; Tornow, W. (2016). «Поиск β-распада 96Zr». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 806 : 70–74. Bibcode : 2016NIMPA.806...70F. doi : 10.1016/j.nima.2015.09.098 .
  8. ^ abcd Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  9. ^ аб Белли, П.; Бернабей, Р.; Капелла, К.; Караччиоло, В.; Черулли, Р.; Даневич, Ф.А.; Ди Марко, А.; Инчичитти, А.; Пода, Д.В.; Полищук О.Г.; Третьяк, В.И. (2014). «Исследование редких ядерных распадов с помощью кристаллического сцинтиллятора BaF 2 , загрязненного радием». Европейский физический журнал А. 50 (9): 134–143. arXiv : 1407.5844 . Бибкод : 2014EPJA...50..134B. дои : 10.1140/epja/i2014-14134-6. S2CID  118513731.
  10. ^ ab 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.
  11. ^ abcd Koura, H. (2011). Режимы распада и предел существования ядер в области сверхтяжелых масс (PDF) . 4-я Международная конференция по химии и физике трансактинидных элементов . Получено 18 ноября 2018 г.
  12. ^ Белли, П.; Бернабей, Р.; Даневич, Ф.А.; и др. (2019). «Экспериментальные поиски редких альфа- и бета-распадов». Европейский физический журнал А. 55 (8): 140–1–140–7. arXiv : 1908.11458 . Бибкод : 2019EPJA...55..140B. дои : 10.1140/epja/i2019-12823-2. ISSN  1434-601X. S2CID  201664098.
  13. ^ Коура, Х.; Катакура, Дж.; Тачибана, Т.; Минато, Ф. (2015). «Диаграмма нуклидов». Японское агентство по атомной энергии . Получено 30 октября 2018 г.
  14. ^ Загребаев, Валерий; Карпов, Александр; Грейнер, Вальтер (2013). "Будущее исследований сверхтяжелых элементов: какие ядра могут быть синтезированы в течение следующих нескольких лет?" (PDF) . Journal of Physics . 420 (1): 012001. arXiv : 1207.5700 . Bibcode :2013JPhCS.420a2001Z. doi :10.1088/1742-6596/420/1/012001. S2CID  55434734.
  15. ^ ab Möller, P.; Sierk, AJ; Ichikawa, T.; Sagawa, H. (2016). "Массы и деформации основного состояния ядра: FRDM(2012)". Atomic Data and Nuclear Data Tables . 109–110: 1–204. arXiv : 1508.06294 . Bibcode :2016ADNDT.109....1M. doi :10.1016/j.adt.2015.10.002. S2CID  118707897.
  16. ^ Мёллер, П. (2016). «Границы ядерной диаграммы, установленные делением и альфа-распадом» (PDF) . EPJ Web of Conferences . 131 : 03002:1–8. Bibcode :2016EPJWC.13103002M. doi : 10.1051/epjconf/201613103002 .
  17. ^ Bosch, Fritz (1995). «Манипуляция временем жизни ядер в накопительных кольцах» (PDF) . Physica Scripta . T59 : 221–229. Bibcode :1995PhST...59..221B. doi :10.1088/0031-8949/1995/t59/030. S2CID  250860726. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-12-26.
  18. ^ Лю, Шуо; Гао, Чао; Сюй, Чан (2021). «Исследование периодов полураспада связанного состояния β − голых атомов». Physical Review C. 104 ( 2): 024304. doi :10.1103/PhysRevC.104.024304.

Внешние ссылки