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 распадом тяжелого кластера , ^[1] представляет собой редкий тип ядерного распада, при котором атомное ядро ​​испускает небольшой «кластер» нейтронов и протонов , больше, чем в альфа-частицах . но меньше, чем типичный фрагмент бинарного деления . Тройное деление на три фрагмента также дает продукты размером с кластер. Потеря протонов 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 + З _е . ^[2] Например:

²²³
₈₈Ра
→¹⁴
₆С
+²⁰⁹
₈₂Pb

Этот тип редкого режима распада наблюдался у радиоизотопов , которые распадаются преимущественно за счет альфа-излучения , и встречается лишь в небольшом проценте распадов для всех таких изотопов. ^[3]

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: чтобы испуститься, кластер должен преодолеть потенциальный барьер. Это другой процесс, чем более случайный ядерный распад, который предшествует испусканию легких фрагментов при тройном делении , который может быть результатом ядерной реакции , но также может быть типом спонтанного радиоактивного распада в некоторых нуклидах, демонстрируя, что входная энергия не обязательно необходим для деления, которое с механистической точки зрения остается принципиально другим процессом.

При отсутствии каких-либо 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 сохранение линейного импульса

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

где A _d — массовое число дочери, A _d = A − A _e .

Кластерный распад занимает промежуточное положение между альфа-распадом (при котором ядро ​​выбрасывает ядро ^​​4 He ) и спонтанным делением , при котором тяжелое ядро ​​распадается на два (или более) крупных фрагмента и различное количество нейтронов. Спонтанное деление заканчивается вероятностным распределением дочерних продуктов, что отличает его от распада кластера. При распаде кластера данного радиоизотопа испускаемая частица представляет собой легкое ядро, и метод распада всегда испускает одну и ту же частицу. В остальном для более тяжелых излучаемых кластеров качественной разницы между распадом кластера и спонтанным холодным делением практически нет.

История

Первые сведения об атомном ядре были получены в начале 20 века путем изучения радиоактивности. Долгое время были известны только три вида ядерного распада ( альфа , бета и гамма ). Они иллюстрируют три фундаментальных взаимодействия в природе: сильное , слабое и электромагнитное . Спонтанное деление стало лучше изучено вскоре после его открытия в 1940 году Константином Петржаком и Георгием Флеровым благодаря как военному, так и мирному применению вынужденного деления. Это было обнаружено примерно в 1939 году Отто Ханом , Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом .

Существует много других видов радиоактивности, например, кластерный распад, испускание протонов , различные режимы бета-замедленного распада (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, альфа, f), изомеры деления , сопровождаемые частицами. (тройное) деление и т. д. Высота потенциального барьера, преимущественно кулоновской природы, для испускания заряженных частиц значительно превышает наблюдаемую кинетическую энергию испускаемых частиц. Спонтанный распад можно объяснить только квантовым туннелированием , аналогично первому применению квантовой механики к ядрам, данному Г. Гамовым для альфа-распада.

В 1980 г. А. Сандулеску, Д. Н. Поэнару 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 излучение углерода-14 с энергией 30 МэВ из радия-223, сделанное Х.Дж. Роузом и Г.А. Джонсом в 1984 году.

-  Британская энциклопедия, ^[4]

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, ^[5] за четыре года до экспериментального открытия. ^[6]

Использовались четыре теоретических подхода: теория фрагментации путем решения уравнения Шредингера с массовой асимметрией в качестве переменной для получения массовых распределений фрагментов; расчеты проницаемости аналогичны тем, которые используются в традиционной теории альфа-распада, а также в моделях суперасимметричного деления, численных (NuSAF) и аналитических (ASAF). Суперасимметричные модели деления основаны на макроскопически-микроскопическом подходе ^[7] с использованием энергий уровней асимметричной двухцентровой модели оболочки ^{[8] [9]} в качестве входных данных для оболочечных и спаривающих поправок. Для расчета макроскопической энергии деформации использовалась либо модель жидкой капли ^[10], либо модель Юкавы плюс экспоненциальная модель ^[11] , расширенная до различных отношений заряда к массе ^{[12] .}

Теория проницаемости предсказала восемь мод 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} Ср, ^{252 254} Фм и ^{252 254} № ^[13]

Первый экспериментальный отчет был опубликован в 1984 году, когда физики из 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 распространения теории деления на большую массовую асимметрию, либо путем испускания более тяжелых частиц из теории альфа-распада . ^[14]

Как подходы, подобные делению, так и альфа-подобные, способны выразить константу распада как произведение трех зависящих от модели величин. ${\displaystyle \lambda =\ln 2/T_{\text{c}}}$

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

где – частота штурмов барьера в секунду, S – вероятность предварительного образования кластера на поверхности ядра, P _s – проницаемость внешнего барьера. В альфа-подобных теориях S представляет собой интеграл перекрытия волновой функции трех партнеров (родительского, дочернего и излучаемого кластера). В теории деления вероятность образования — это проницаемость внутренней части барьера от начальной точки поворота R _i до точки касания R _t . ^[15] Очень часто его рассчитывают с использованием приближения Венцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ). ${\displaystyle \nu }$

Очень большое количество, порядка 10 ⁵ , комбинаций родительских кластеров было рассмотрено в систематическом поиске новых мод распада . Большой объем вычислений можно выполнить за разумное время, используя модель ASAF, разработанную Дорином Н. Поэнару , Уолтером Грейнером и др. Эта модель была первой, которая использовалась для предсказания измеримых величин распада кластера. Было предсказано более 150 режимов распада кластеров до того, как были опубликованы какие-либо другие расчеты периодов полураспада. Подробные таблицы периодов полураспада , коэффициентов ветвления и кинетических энергий были опубликованы, например, ^{[16] [17].} Формы потенциальных барьеров, аналогичные тем, которые рассматриваются в модели ASAF, были рассчитаны с использованием макроскопически-микроскопического метода. ^[18]

Ранее ^[19] было показано, что даже альфа-распад можно считать частным случаем холодного деления . Модель ASAF может быть использована для единого описания холодного альфа-распада, кластерного распада и холодного деления (см. рис. 6.7, стр. 287 в [2]).

С хорошим приближением можно получить одну универсальную кривую (UNIV) для любого вида распада кластера 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 режимов альфа-распада и распада кластера получается путем выражения log T + log S = f(log P _s ). ^[20] Экспериментальные данные по распаду кластеров в трех группах родительских ядер четно-четных, четно-нечетных и нечетно-четных воспроизводятся с сопоставимой точностью обоими типами универсальных кривых — делительно-подобными UNIV и UDL ^[21] , полученными с помощью теория альфа-подобной R-матрицы.

Чтобы найти выделившуюся энергию

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

можно воспользоваться компиляцией измеренных масс ^[22] M, Md _и Me _{родительского} , дочернего и испускаемого ядер, c — скорость света. Избыток массы преобразуется в энергию по формуле Эйнштейна E = mc ² .

Эксперименты

Основная экспериментальная трудность наблюдения распада кластеров связана с необходимостью идентифицировать несколько редких событий на фоне альфа-частиц. Экспериментально определены такие величины, как частичный период полураспада T _c и ​​кинетическая энергия испускаемого кластера E _k . Также необходимо идентифицировать испускаемую частицу.

Обнаружение излучений основано на их взаимодействии с веществом, приводящем главным образом к ионизации. Используя полупроводниковый телескоп и традиционную электронику для идентификации ¹⁴ ионов C, эксперимент Роуза и Джонса длился около шести месяцев, чтобы получить 11 полезных событий.

С помощью современных магнитных спектрометров (SOLENO и расщепленного полюса Энге) в Орсе и Аргоннской национальной лаборатории (см. главу 7 в [2], стр. 188–204) можно было использовать очень сильный источник, так что были получены результаты. 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 требуют химического травления и сканирования под микроскопом.

Ключевую роль в экспериментах по режимам распада кластеров, выполненных в Беркли, Орсе, Дубне и Милане, сыграли П. Буфорд Прайс, Ид Хурани, Мишель Юссоннуа, Светлана Третьякова, А.А. Оглоблин, Роберто Бонетти и их сотрудники.

Основная область из 20 эмиттеров, наблюдавшихся экспериментально до 2010 г., 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 удалось обнаружить в следующих случаях: распад ¹² C ¹¹⁴ Ba, распад ¹⁵ N ²²³ Ac, распад ¹⁸ O ²²⁶ Th, распад ^24,26 Ne ²³² Th и ²³⁶ U, распад ²⁸ Mg 232, 233, ²³⁵ . U, ³⁰ Mg распад ²³⁷ Np и ³⁴ Si распад ²⁴⁰ Pu и ²⁴¹ Am.

Некоторые из кластерных излучателей относятся к трем естественным радиоактивным семействам. Другие должны быть произведены ядерными реакциями. До сих пор не наблюдалось ни одного нечетно-нечетного излучателя.

Из многих мод распада с периодами полураспада и коэффициентами 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 прогнозируемыми значениями. Виден сильный оболочечный эффект: как правило, наименьшее значение периода полураспада получается, когда дочернее ядро ​​имеет магическое число нейтронов (N _d = 126) и/или протонов (Z _d = 82).

Известные кластерные выбросы по состоянию на 2010 год следующие: ^{[23] [24] [25]}

Тонкая структура

Тонкая структура радиоактивности ¹⁴ C ²²³ Ra была впервые обсуждена М. Грейнером и В. Шейдом в 1986 году. ^[26] Сверхпроводящий спектрометр SOLENO IPN Orsay используется с 1984 года для идентификации кластеров ¹⁴ C, испускаемых из ^{222. –224,226} ядер Ra. Более того, с его помощью была обнаружена ^{[27] [28]} тонкая структура, наблюдающая переходы в возбужденные состояния дочернего элемента. Переход с возбужденным состоянием ¹⁴ С, предсказанный в работе [2]. ^[26] пока не наблюдалось.

Удивительно, но экспериментаторы увидели переход в первое возбужденное состояние дочери более сильный, чем в основное состояние. Переход благоприятствует, если несвязанный нуклон остается в одном и том же состоянии как в родительском, так и в дочернем ядрах. В противном случае различие в ядерной структуре приведет к большому затруднению.

Интерпретация ^[29] подтвердилась: основная сферическая компонента деформированной родительской волновой функции имеет характер i _11/2 , т.е. основная компонента является сферической.

Рекомендации

1. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae."
2. Поэнару, Дорин Н .; Грейнер, Уолтер (2011). «Кластерная радиоактивность». Кластеры в ядрах I. Конспект лекций по физике. Том. 818. Берлин: Шпрингер. стр. 1–56. ISBN 978-3-642-13898-0.
3. Поэнару, Д.Н.; Грейнер, В. (1996). Режимы ядерного распада . Бристоль: Издательство Института физики. стр. 1–577. ISBN 978-0-7503-0338-5.
4. Британская энциклопедия Интернет. 2011.
5. 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.
6. Роуз, HJ; Джонс, Джорджия (1984). «Новый вид естественной радиоактивности». Природа . 307 (5948): 245–247. Бибкод : 1984Natur.307..245R. дои : 10.1038/307245a0. S2CID  4312488.
7. Струтинский, В.М. (1967). «Оболочечные эффекты в ядерных массах и энергиях деформации». Ядерная физика А . 95 (2): 420–442. Бибкод : 1967NuPhA..95..420S. дои : 10.1016/0375-9474(67)90510-6.
8. 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.
9. Гергеску, РА (2003). «Деформированная двухцентровая модель оболочки». Физический обзор C . 67 (1): 014309. arXiv : nucl-th/0210064 . Бибкод : 2003PhRvC..67a4309G. doi : 10.1103/PhysRevC.67.014309. S2CID  119429669.
10. Майерс, Уильям Д.; Святецкий, Владислав Ю. (1966). «Ядерные массы и деформации». Ядерная физика . 81 : 1–60. дои : 10.1016/0029-5582(66)90639-0.
11. Краппе, HJ; Никс, младший; Сирк, Эй Джей (1979). «Единый ядерный потенциал для упругого рассеяния, синтеза, деления тяжелых ионов, а также масс и деформаций в основном состоянии». Физический обзор C . 20 (3): 992–1013. Бибкод : 1979PhRvC..20..992K. doi : 10.1103/PhysRevC.20.992.
12. Поэнару, Д.Н.; Ивашку, М.; Мазилу, Д. (1980). «Сложенная модель Юкавы плюс экспоненциальная модель pes для ядер с разной плотностью заряда». Компьютерная физика. Коммуникации . 19 (2): 205–214. Бибкод : 1980CoPhC..19..205P. дои : 10.1016/0010-4655(80)90051-X.
13. Поэнару, Д.Н.; Грейнер, В. (1995). «Ядерный распад кластерной эмиссией» (PDF) . Еврофиз. Новости . Проверено 15 декабря 2023 г.
14. Блендовске, Р.; Флисбах, Т.; Уоллизер, Х. (1996). Режимы ядерного распада . Бристоль: Издательство Института физики. стр. 337–349. ISBN 978-0-7503-0338-5.
15. 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.
16. Поэнару, Д.Н.; Иваску, М.; Сандулеску, А.; Грейнер, В. (1984). «Спонтанное излучение тяжелых кластеров». Журнал физики Г. 10 (8): Л183–Л189. Бибкод : 1984JPhG...10L.183P. дои : 10.1088/0305-4616/10/8/004. S2CID  250844668.
17. 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.
18. 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.
19. Поэнару, Д.Н.; Иваску, М.; Сандулеску, А. (1979). «Альфа-распад как процесс, подобный делению». Журнал физики Г. 5 (10): Л169–Л173. Бибкод : 1979JPhG....5L.169P. дои : 10.1088/0305-4616/5/10/005. S2CID  250859467.
20. 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.
21. Ци, К.; Сюй, Франция; Лиотта, Р.Дж.; Висс, Р. (2009). «Закон универсального распада в эмиссии заряженных частиц и радиоактивности экзотических кластеров». Письма о физических отзывах . 103 (7): 072501. arXiv : 0909.4492 . Бибкод : 2009PhRvL.103g2501Q. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.072501. PMID  19792636. S2CID  34973496.
22. Ауди, Г.; Вапстра, АХ; Тибо, К. (2003). «Оценка атомной массы Ame2003». Ядерная физика А . 729 (1): 337–676. Бибкод : 2003NuPhA.729..337A. doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
23. Баум, Э.М.; и другие. (2002). Нуклиды и изотопы: Таблица нуклидов (16-е изд.). Лаборатория атомной энергии Ноллс (Lockheed Martin).
24. Бонетти, Р.; Гульельметти, А. (2007). «Кластерная радиоактивность: обзор через двадцать лет» (PDF) . Румынские доклады по физике . 59 : 301–310. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2016 года.
25. 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 .
26. Грейнер, М.; Шайд, В. (1986). «Радиоактивный распад в возбужденные состояния посредством эмиссии тяжелых ионов». Журнал физики Г. 12 (10): Л229–Л234. Бибкод : 1986JPhG...12L.229G. дои : 10.1088/0305-4616/12/10/003. S2CID  250914956.
27. Бриллард, Л.; Элайи, АГ; Хурани, Э.; Юссонуа, 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.
28. Хурани, Э.; Беррье-Ронсен, Ж.; Элайи, А.; Хоффманн-Роте, П.; Мюллер, AC; Розье, Л.; Ротбард, Г.; Рену, Г.; Лиебе, А.; Поэнару, Д.Н.; Равн, Х.Л. (1995). «Ядерная спектроскопия 223Ra в радиоактивности 14C». Физический обзор C . 52 (1): 267–270. Бибкод : 1995PhRvC..52..267H. doi : 10.1103/physrevc.52.267. ПМИД  9970505.
29. Шелин, РК; Рагнарссон, И. (1991). «Интерпретация тонкой структуры радиоактивного распада ^{14 C 223} Ra». Физический обзор C . 43 (3): 1476–1479. Бибкод : 1991PhRvC..43.1476S. doi : 10.1103/PhysRevC.43.1476. ПМИД  9967191.

Внешние ссылки

• Национальный центр ядерных данных