Распад кластера
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
| Ядерная физика |
|---|
 |
Распад кластера , также называемый радиоактивностью тяжелых частиц , радиоактивностью тяжелых ионов или распадом тяжелого кластера . [1] — редкий тип ядерного распада, при котором атомное ядро испускает небольшой «скопление» нейтронов и протонов , больше, чем в альфа-частице , 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
88 Ра
→ 14
6 С
+ 209
82 Пб
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).
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
где A d — массовое число дочери, A d = A − A e .
Кластерный распад занимает промежуточное положение между альфа-распадом (при котором ядро выбрасывает 4 He ядро) и спонтанное деление , 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
[ редактировать ]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 г. [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). Модели суперасимметричного деления основаны на макроскопически-микроскопическом подходе. [7] с использованием асимметричной модели двухцентровой оболочки [8] [9] энергии уровней как входные данные для оболочечных и спаривающих поправок. Либо модель капли жидкости [10] или модель Юкавы плюс экспоненциальная модель [11] распространяется на различные отношения заряда к массе [12] были использованы для расчета макроскопической энергии деформации.
Теория проницаемости предсказала восемь режимов распада: 14 С, 24 Ne, 28 Мг, 32,34 И, 46 Ар и 48,50 Ca из следующих родительских ядер: 222,224 Солнце, 230,232 эт, 236,238 В, 244,246 Мог, 248,250 См, 250,252 См., 252,254 Фм и 252,254 Нет. [13]
Первый экспериментальный отчет был опубликован в 1984 году, когда физики Оксфордского университета обнаружили, что 223 Ра излучает один 14 Ядро С среди каждого миллиарда (10 9 ) распадается за счет альфа-излучения.
Теория
[ редактировать ]Квантовое туннелирование можно рассчитать либо путем распространения теории деления на большую массовую асимметрию, либо путем испускания более тяжелых частиц из теории альфа-распада . [14]
Подходы, подобные делению, и альфа-подобные, способны выразить константу распада. , как произведение трёх зависящих от модели величин
где – частота атак барьера в секунду, S – вероятность 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).
Очень большое количество, порядка 10. 5 , комбинаций родительских кластеров рассматривались в систематическом поиске новых режимов 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, например Были опубликованы [16] [17] Формы потенциальных барьеров, аналогичные рассмотренным 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.
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 – деления типа UNIV и UDL. [21] получено с использованием теории альфа-подобной R-матрицы.
Чтобы найти выделившуюся энергию
![{\displaystyle Q=[M-(M_{d}+M_{e})]c^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6b6a73f0a61276652d2ec36105a3022ebd4c60bd)
можно воспользоваться сборником 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
[ редактировать ]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. Использование полупроводникового телескопа и обычной электроники для идентификации 14 С ионами 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.
твердотельные ядерные трековые детекторы Для преодоления этой трудности использовались (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 излучателей, экспериментально наблюдаемых до 2010 г., находится выше Z = 86: 221 Пт, 221-224,226 Солнце, 223,225 И, 228,230 эт, 231 Хорошо, 230,232-236 В, 236,238 Пу и 242 См. Только верхние пределы могут быть обнаружены в следующих случаях: 12 C распад 114 Нет, 15 N распад 223 И, 18 О распад 226 эт, 24,26 Ne распады 232 и из 236 В, 28 Распад Mg 232,233,235 В, 30 Распад магния 237 Нп и 34 Si распад 240 Пу и 241 Являюсь.
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 режимов распада с периодами полураспада и коэффициентами ветвления относительно альфа-распада, предсказанных с помощью аналитической модели суперасимметричного деления (ASAF), следующие 11 были экспериментально подтверждены: 14 С, 20 ТЕМ, 23 Ф, 22,24-26 Ne, 28,30 мг и 32,34 Си. 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]
| Изотоп | Испускаемая частица | Коэффициент разветвления | журнал Т(ов) | Q (МэВ) |
|---|---|---|---|---|
| 221 Пт | 14 С | 8.14 × 10 −13 | 14.52 | 31.290 |
| 221 Солнце | 14 С | 1.15 × 10 −12 | 13.39 | 32.394 |
| 222 Солнце | 14 С | 3.7 × 10 −10 | 11.01 | 33.049 |
| 223 Солнце | 14 С | 8.9 × 10 −10 | 15.04 | 31.829 |
| 224 Солнце | 14 С | 4.3 × 10 −11 | 15.86 | 30.535 |
| 225 И | 14 С | 4.5 × 10 −12 | 17.28 | 30.476 |
| 226 Солнце | 14 С | 3.2 × 10 −11 | 21.19 | 28.196 |
| 228 че | 20 ТО | 1.13 × 10 −13 | 20.72 | 44.723 |
| 230 че | 24 Ne | 5.6 × 10 −13 | 24.61 | 57.758 |
| 231 Хорошо | 23 Ф | 9.97 × 10 −15 | 26.02 | 51.844 |
| 24 Ne | 1.34 × 10 −11 | 22.88 | 60.408 | |
| 230 В | 22 Ne | 4.8 × 10 −14 | 19.57 | 61.388 |
| 232 В | 24 Ne | 9.16 × 10 −12 | 20.40 | 62.309 |
| 28 мг | < 1,18 × 10 −13 | > 22,26 | 74.318 | |
| 233 В | 24 Ne | 7.2 × 10 −13 | 24.84 | 60.484 |
| 25 Ne | 60.776 | |||
| 28 мг | < 1,3 × 10 −15 | > 27,59 | 74.224 | |
| 234 В | 28 мг | 1.38 × 10 −13 | 25.14 | 74.108 |
| 24 Ne | 9.9 × 10 −14 | 25.88 | 58.825 | |
| 26 Ne | 59.465 | |||
| 235 В | 24 Ne | 8.06 × 10 −12 | 27.42 | 57.361 |
| 25 Ne | 57.756 | |||
| 28 мг | < 1,8 × 10 −12 | > 28.09 | 72.162 | |
| 29 мг | 72.535 | |||
| 236 В | 24 Ne | < 9,2 × 10 −12 | > 25,90 | 55.944 |
| 26 Ne | 56.753 | |||
| 28 мг | 2 × 10 −13 | 27.58 | 70.560 | |
| 30 мг | 72.299 | |||
| 236 Мог | 28 мг | 2.7 × 10 −14 | 21.52 | 79.668 |
| 237 Например | 30 мг | < 1,8 × 10 −14 | > 27,57 | 74.814 |
| 238 Мог | 32 И | 1.38 × 10 −16 | 25.27 | 91.188 |
| 28 мг | 5.62 × 10 −17 | 25.70 | 75.910 | |
| 30 мг | 76.822 | |||
| 240 Мог | 34 И | < 6 × 10 −15 | > 25,52 | 91.026 |
| 241 Являюсь | 34 И | < 7,4 × 10 −16 | > 25,26 | 93.923 |
| 242 См | 34 И | 1 × 10 −16 | 23.15 | 96.508 |
Тонкая структура
[ редактировать ]Тонкая структура в 14 C радиоактивность 223 Ра впервые обсуждался М. Грейнером и В. Шейдом в 1986 г. [26] Сверхпроводниковый спектрометр SOLENO компании IPN Orsay используется с 1984 года для идентификации 14 Кластеры C, испускаемые из 222–224,226 Ядра Ра. Более того, с его помощью было обнаружено [27] [28] тонкая структура, наблюдающая переходы в возбужденные состояния дочери. Переход с возбужденным состоянием 14 C предсказано в работе. [26] еще 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] подтвердилось: основная сферическая компонента деформированной родительской волновой функции имеет характер i 11/2 , т.е. основная компонента имеет сферическую форму.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 . "
- ^ 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 .
- ^ Поэнару, Д.Н.; Грейнер, В. (1996). Режимы ядерного распада . Бристоль: Издательство Института физики. стр. 1–577. ISBN 978-0-7503-0338-5 .
- ^ Британская онлайн-энциклопедия . 2011.
- ^ 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 .
- ^ Роуз, HJ; Джонс, Джорджия (1984). «Новый вид естественной радиоактивности». Природа . 307 (5948): 245–247. Бибкод : 1984Natur.307..245R . дои : 10.1038/307245a0 . S2CID 4312488 .
- ^ Струтинский, В.М. (1967). «Оболочечные эффекты в ядерных массах и энергиях деформации». Ядерная физика А . 95 (2): 420–442. Бибкод : 1967НуФА..95..420С . дои : 10.1016/0375-9474(67)90510-6 .
- ^ Марун, Иоахим; Грейнер, Уолтер (1972). «Модель асимметричной оболочки с двумя центрами». Журнал физики . 251 (5): 431–457. Бибкод : 1972ZPhy..251..431M . дои : 10.1007/BF01391737 . S2CID 117002558 .
- ^ Гергеску, РА (2003). «Деформированная двухцентровая модель оболочки». Физический обзор C . 67 (1): 014309. arXiv : nucl-th/0210064 . Бибкод : 2003PhRvC..67a4309G . дои : 10.1103/PhysRevC.67.014309 . S2CID 119429669 .
- ^ Майерс, Уильям Д.; Святецкий, Владислав Ю. (1966). «Ядерные массы и деформации» . Ядерная физика . 81 : 1–60. дои : 10.1016/0029-5582(66)90639-0 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevC.20.992 .
- ^ 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 .
- ^ Поэнару, Д.Н.; Грейнер, В. (1995). «Ядерный распад кластерной эмиссией» (PDF) . Еврофиз. Новости . Проверено 15 декабря 2023 г.
- ^ Блендовске, Р.; Флисбах, Т.; Уоллизер, Х. (1996). Режимы ядерного распада . Бристоль: Издательство Института физики. стр. 337–349. ISBN 978-0-7503-0338-5 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevC.73.014608 . S2CID 119434512 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevC.83.014601 .
- ^ 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 . ПМИД 19792636 . S2CID 34973496 .
- ^ Ауди, Г.; Вапстра, АХ; Тибо, К. (2003). «Оценка атомной массы Ame2003» . Ядерная физика А . 729 (1): 337–676. Бибкод : 2003НуФА.729..337А . doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 .
- ^ Баум, Э.М.; и др. (2002). Нуклиды и изотопы: Таблица нуклидов (16-е изд.). Лаборатория атомной энергии Ноллс (Lockheed Martin).
- ^ 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.
- ^ 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, Дж.; МакГи, Д. (2008). «Радиоактивность углерода 223 Ac и поиск выбросов азота» . Journal of Physics: Conference Series . 111 (1): 012050. Bibcode : 2008JPhCS.111a2050G . doi : 10.1088/1742-6596/111/1/012050 .
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ Бриллард, Л.; Элайи, АГ; Хурани, Э.; Юссоннуа, М.; Ле Дю, JF; Розье, Л.Х.; Стаб, Л. (1989). «Демонстрация тонкой структуры радиоактивности». 14 C». CR Acad. Sci. Paris . 309 : 1105–1110.
- ^ Урани, Э.; Беррье-Ронсен, Ж.; Эли, А.; Хоффманн-Роте, П.; Мюллер, AC; Розье, Л.; Ротбард, Г.; Реноу, Г.; Лиебе, А.; Поэнару, Д.Н.; Равн, Х.Л. (1995). " 223 Ядерная спектроскопия Ra в 14 C Радиоактивность» . Physical Review C. 52 ( 1): 267–270. Bibcode : 1995PhRvC..52..267H . doi : 10.1103/physrevc.52.267 . PMID 9970505 .
- ^ Шелине, РК; Рагнарссон, И. (1991). «Интерпретация тонкой структуры 14 C радиоактивный распад 223 Ra». Physical Review C. 43 ( 3): 1476–1479. Bibcode : 1991PhRvC..43.1476S . doi : 10.1103/PhysRevC.43.1476 . PMID 9967191 .