Распад кластера - Cluster decay

Ядерная физика
NuclearReaction.svg
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция

Распад кластера, также названный радиоактивность тяжелых частиц или же радиоактивность тяжелых ионов, представляет собой редкий тип ядерного распада, при котором атомное ядро ​​испускает небольшой «кластер» нейтроны и протоны, больше, чем в альфа-частица, но меньше, чем типичный двоичный осколок деления. Тройное деление на три фрагмента также производит продукты в размере кластера. Потеря протонов из родительского ядра превращает его в ядро ​​другого элемента, дочернего, с массовое число Аd = А − Ае и атомный номер Zd = Z − Zе, куда Ае = Nе + Zе.[1]Например:

223
88Ра
 → 14
6C
 + 209
82Pb

Этот тип редкой моды распада наблюдался в радиоизотопы которые распадаются преимущественно альфа-излучение, и это происходит только в небольшом проценте распадов всех таких изотопов.[2]

В коэффициент ветвления относительно альфа-распада довольно мала (см. таблицу ниже).

Та и тc - периоды полураспада родительского ядра относительно альфа-распада и кластерной радиоактивности соответственно.

Распад кластера, как и альфа-распад, представляет собой процесс квантового туннелирования: чтобы быть испущенным, кластер должен преодолеть потенциальный барьер. Этот процесс отличается от более случайного ядерного распада, который предшествует испусканию легких фрагментов в тройное деление, что может быть результатом ядерная реакция, но также может быть спонтанным радиоактивный распад в некоторых нуклидах, демонстрируя, что подводимая энергия не обязательно необходима для деления, которое механически остается принципиально другим процессом.

Теоретически любое ядро ​​с Z > 40, для которых выделенная энергия (величина Q) является положительной величиной, может быть кластером-эмиттером. На практике наблюдения строго ограничены ограничениями, налагаемыми доступными в настоящее время экспериментальными методами, которые требуют достаточно короткого периода полураспада Tc < 1032 s и достаточно большой коэффициент ветвления B> 10−17.

При отсутствии потерь энергии на деформацию и возбуждение фрагментов, как в холодное деление или при альфа-распаде, полная кинетическая энергия равна Q-значению и делится между частицами обратно пропорционально их массам, как того требует сохранение линейного импульса

куда Аd - массовое число дочери, Аd = А − Ае.

Распад кластера занимает промежуточное положение между альфа-распадом (при котором ядро ​​выделяет 4Он ядро), и спонтанное деление, в котором тяжелое ядро ​​распадается на два (или более) больших фрагмента и различное количество нейтронов. Спонтанное деление заканчивается вероятностным распределением дочерних продуктов, что отличает его от распада кластера. При кластерном распаде для данного радиоизотопа испускаемая частица является легким ядром, и метод распада всегда испускает эту же частицу. Для более тяжелых излучаемых кластеров в остальном практически нет качественной разницы между распадом кластера и спонтанным холодным делением.

История

Первые сведения об атомном ядре были получены в начале 20 века при изучении радиоактивности. В течение длительного периода времени только три вида ядерных мод распада (альфа, бета, и гамма ) были известны. Они иллюстрируют три основных взаимодействия в природе: сильный, слабый, и электромагнитный. Самопроизвольное деление стал лучше изучен вскоре после его открытия в 1940 г. Константин Петржак и Георгий Флёров из-за как военных, так и мирных применений индуцированного деления. Это было обнаружено около 1939 г. Отто Хан, Лиз Мейтнер, и Фриц Штрассманн.

Есть много других видов радиоактивности, например кластерный распад распад протона, различные режимы замедленного бета-распада (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alpha, f), изомеры деления, частица, сопровождаемая (тройным) делением и т. д. Высота потенциального барьера, в основном кулоновского характера, для испускания заряженных частиц намного превышает наблюдаемую кинетическую энергию вылетающих частиц. Самопроизвольный распад можно объяснить только квантовое туннелирование аналогично первому применению квантовой механики к ядрам, сделанному Г. Гамовым для альфа-распада.

«В 1980 году А. Сандулеску, Д. Н. Поэнару и В. Грейнер описали расчеты, указывающие на возможность нового типа распада тяжелых ядер, промежуточных между альфа-распадом и спонтанным делением. Первым наблюдением радиоактивности тяжелых ионов было обнаружение радиоактивности 30- МэВ, выброс углерода-14 из радия-223, проведенный Г. Дж. Роузом и Г. А. Джонсом в 1984 г. ".

[3]

Обычно теория объясняет уже экспериментально наблюдаемое явление. Распад кластера - один из редких примеров явлений, предсказанных до экспериментального открытия. Теоретические прогнозы были сделаны в 1980 г.[4]за четыре года до экспериментального открытия.[5]

Были использованы четыре теоретических подхода: теория фрагментации путем решения уравнения Шредингера с массовой асимметрией в качестве переменной для получения массовых распределений осколков; Расчеты проницаемости аналогичны тем, которые используются в традиционной теории альфа-распада и суперсимметричных моделях деления, численных (NuSAF) и аналитических (ASAF). Суперсимметричные модели деления основаны на макроскопическом микроскопическом подходе.[6]с использованием модели асимметричной двухцентровой оболочки[7][8]энергии уровней в качестве входных данных для оболочки и парных поправок. Либо модель жидкой капли[9]или модель Юкавы плюс экспоненциальная[10]расширен на различные отношения заряда к массе[11]были использованы для расчета макроскопической энергии деформации.

Теория проницаемости предсказала восемь режимов распада: 14C, 24Ne, 28Mg, 32,34Si, 46Ar и 48,50Са из следующих родительских ядер: 222,224Ра, 230,232Чт, 236,238U, 244,246Пу, 248,250См, 250,252Cf, 252,254FM, и 252,254Нет.

Первый экспериментальный отчет был опубликован в 1984 году, когда физики Оксфордского университета обнаружили, что 223Ра излучает один 14Ядро C на каждый миллиард (109) распадается альфа-излучением.

Теория

Квантовое туннелирование можно рассчитать либо путем расширения теория деления к большей асимметрии масс или более тяжелой частицей, испускаемой из альфа-распад теория.[12]

И деление, и альфа-подобные подходы могут выразить константу распада = ln 2 / Tc, как произведение трех зависящих от модели величин

куда - частота атак на барьер в секунду, S - вероятность преформации кластера на поверхности ядра, а Ps - проницаемость внешнего барьера. В альфа-подобных теориях S является интегралом перекрытия волновая функция из трех партнеров (родительский, дочерний и испущенный кластер). В теории деления вероятность преформации - это проницаемость внутренней части барьера от начальной точки поворота Rя до точки касания Rт.[13]Очень часто он рассчитывается с использованием приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ).

Очень большое количество, порядка 105, комбинаций родительско-испускаемых кластеров рассматривались в систематическом поиске новых режимы распада. Большой объем вычислений может быть выполнен за разумное время с использованием модели ASAF, разработанной Дорин Н Поэнару, Вальтер Грейнер, и другие. Эта модель была первой, которая использовалась для предсказания измеримых величин распада кластеров. Было предсказано более 150 мод распада кластеров до того, как были опубликованы какие-либо другие расчеты периодов полураспада. Исчерпывающие таблицы период полураспада, коэффициенты ветвления, и кинетические энергии были опубликованы, например[14].[15]Возможные формы барьеров, аналогичные рассмотренным в модели ASAF, были рассчитаны с использованием макроскопического микроскопа.[16]

Ранее[17]было показано, что даже альфа-распад можно рассматривать как частный случай холодное деление. Модель ASAF может быть использована для единообразного описания холодного альфа-распада, распада кластера и холодного деления (см. Рисунок 6.7, стр. 287 в [2]).

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

В логарифмическом масштабе уравнение log T = f (log Ps) представляет собой единую прямую линию, которую можно удобно использовать для оценки периода полураспада. Единая универсальная кривая для режимов альфа-распада и кластерного распада получается выражением log T + log S = f (log Ps).[18]Экспериментальные данные по распаду кластеров в трех группах четно-четных, четно-нечетных и нечетно-четных родительских ядер воспроизводятся с сопоставимой точностью обоими типами универсальных кривых, подобных делению UNIV и UDL.[19]получено с использованием теории альфа-подобной R-матрицы.

Чтобы найти высвобожденную энергию

можно использовать компиляцию измеренных масс[20]М, мd, И ме материнского, дочернего и испущенного ядер, c - скорость света. Избыток массы трансформируется в энергию согласно Формула Эйнштейна E = mc2.

Эксперименты

Основная экспериментальная трудность при наблюдении распада кластера связана с необходимостью идентифицировать несколько редких событий на фоне альфа-частиц. Экспериментально определенные величины представляют собой частичный период полураспада Tc, а кинетическая энергия вылетевшего кластера Ek. Также существует необходимость идентифицировать испускаемую частицу.

Обнаружение излучений основано на их взаимодействии с веществом, которое в основном приводит к ионизации. Использование полупроводникового телескопа и обычной электроники для определения 14С ионами C, эксперимент Роуза и Джонса длился около шести месяцев, чтобы получить 11 полезных событий.

С помощью современных магнитных спектрометров (SOLENO и Enge-split pole) в Национальной лаборатории Орсе и Аргонн (см. Главу 7 в [2], стр. 188–204) можно было использовать очень сильный источник, так что были получены результаты за несколько часов.

Твердотельные ядерные трековые детекторы (SSNTD), нечувствительный к альфа-частицам, и магнитные спектрометры, в которых альфа-частицы отклоняются сильным магнитным полем, были использованы для преодоления этой трудности. SSNTD дешевы и удобны, но для них требуется химическое травление и сканирование под микроскопом.

Ключевую роль в экспериментах по модам распада кластеров, проведенных в Беркли, Орсе, Дубне и Милане, сыграли П. Буфорд Прайс, Эйд Орэни, Мишель Хассоннуа, Светлана Третьякова, А. А. Оглоблин, Роберто Бонетти и их сотрудники.

Основная область из 20 излучателей, экспериментально наблюдаемых до 2010 г., находится выше Z = 86: 221Пт, 221-224,226Ра, 223,225Ac, 228,230Чт, 231Па, 230,232-236U, 236,238Pu и 242См. Только верхние пределы могут быть обнаружены в следующих случаях: 12C распад 114Ба, 15N распад 223Ac, 18О распад 226Чт, 24,26Ne распада 232Чт и 236U, 28Mg распады 232,233,235U, 30Mg распад 237Np и 34Si распад 240Пу и 241Являюсь.

Некоторые из кластерных излучателей являются членами трех естественных радиоактивных семейств. Остальные должны возникать в результате ядерных реакций. До настоящего времени нечетно-нечетный излучатель не наблюдался.

Из многих режимов распада с периодами полураспада и отношениями ветвления относительно альфа-распада, предсказанных с помощью аналитической модели суперсимметричного деления (ASAF), следующие 11 были экспериментально подтверждены: 14C, 20О, 23F, 22,24-26Ne, 28,30Mg и 32,34Si. Экспериментальные данные хорошо согласуются с предсказанными значениями. Виден сильный оболочечный эффект: как правило, наименьшее значение периода полураспада достигается, когда дочернее ядро ​​имеет магическое число нейтронов (Nd = 126) и / или протоны (Zd = 82).

Известные кластерные выбросы по состоянию на 2010 год следующие:[21][22][23]

ИзотопИспускаемая частицаКоэффициент разветвленияжурнал T (с)Q (МэВ)
114Ба12C< 3.4×10−5> 4.1018.985
221Пт14C8.14×10−1314.5231.290
221Ра14C1.15×10−1213.3932.394
222Ра14C3.7×10−1011.0133.049
223Ра14C8.9×10−1015.0431.829
224Ра14C4.3×10−1115.8630.535
223Ac14C3.2×10−1112.9633.064
225Ac14C4.5×10−1217.2830.476
226Ра14C3.2×10−1121.1928.196
228Чт20О1.13×10−1320.7244.723
230Чт24Ne5.6×10−1324.6157.758
231Па23F9.97×10−1526.0251.844
24Ne1.34×10−1122.8860.408
232U24Ne9.16×10−1220.4062.309
28Mg< 1.18×10−13> 22.2674.318
233U24Ne7.2×10−1324.8460.484
25Ne60.776
28Mg<1.3×10−15> 27.5974.224
234U28Mg1.38×10−1325.1474.108
24Ne9.9×10−1425.8858.825
26Ne59.465
235U24Ne8.06×10−1227.4257.361
25Ne57.756
28Mg< 1.8×10−12> 28.0972.162
29Mg72.535
236U24Ne< 9.2×10−12> 25.9055.944
26Ne56.753
28Mg2×10−1327.5870.560
30Mg72.299
236Пу28Mg2.7×10−1421.5279.668
237Np30Mg< 1.8×10−14> 27.5774.814
238Пу32Si1.38×10−1625.2791.188
28Mg5.62×10−1725.7075.910
30Mg76.822
240Пу34Si< 6×10−15> 25.5291.026
241Являюсь34Si< 7.4×10−16> 25.2693.923
242См34Si1×10−1623.1596.508

Тонкая структура

Тонкая структура в 14C радиоактивность 223Впервые Ра был обсужден М. Грейнером и У. Шейдом в 1986 году.[24]Сверхпроводящий спектрометр SOLENO от IPN Orsay используется с 1984 года для идентификации 14Кластеры C, испускаемые из 222-224,226Ядра Ra. Более того, он использовался для открытия[25][26]тонкая структура, наблюдающая переходы в возбужденные состояния дочернего элемента. Переход с возбужденным состоянием 14C предсказано в работе. [24] еще не наблюдалось.

Удивительно, но экспериментаторы увидели переход в первое возбужденное состояние дочери более сильное, чем в основное состояние. Переход благоприятен, если несвязанный нуклон остается в одном и том же состоянии как в родительском, так и в дочернем ядрах. В противном случае различие в структуре ядер приводит к большим затруднениям.

Интерпретация[27]подтверждено: основная сферическая составляющая деформированной родительской волновой функции имеет i11/2 характер, т.е. основная составляющая сферическая.

Рекомендации

  1. ^ Дорин Н Поэнару, Вальтер Грейнер (2011). Кластерная радиоактивность, гл. 1 кластеров в ядрах I. Конспект лекций по физике 818. Спрингер, Берлин. С. 1–56. ISBN  978-3-642-13898-0.
  2. ^ Поэнару, Д. Н .; Грейнер В. (1996). Режимы ядерного распада. Издательский институт физики, Бристоль. С. 1–577. ISBN  978-0-7503-0338-5.
  3. ^ Энциклопедия Britannica Online. 2011.
  4. ^ Sandulescu, A .; Поэнару Д. Н. и Грейнер В. "Новый тип распада тяжелых ядер, промежуточных между делением и альфа-распадом". Сов. J. Part. Nucl. 11: 528–541.
  5. ^ Rose, H.J .; Джонс, Г. А. (19 января 1984 г.). «Новый вид естественной радиоактивности». Природа. 307 (5948): 245–247. Bibcode:1984Натура.307..245р. Дои:10.1038 / 307245a0.
  6. ^ Струтинский, В. М. (1967). «Оболочечные эффекты в ядерных массах и энергиях деформации». Nucl. Phys. А. 95 (2): 420–442. Bibcode:1967НуФА..95..420С. Дои:10.1016/0375-9474(67)90510-6.
  7. ^ Maruhn, J. A .; Грейнер, В. (1972). «Асимметричная двухцентровая модель оболочки». Z. Phys. 251 (5): 431–457. Bibcode:1972ZPhy..251..431M. Дои:10.1007 / BF01391737.
  8. ^ Gherghescu, Р. А. (2003). «Модель деформированной двухцентровой оболочки». Phys. Ред. C. 67 (1): 014309. arXiv:nucl-th / 0210064. Bibcode:2003PhRvC..67a4309G. Дои:10.1103 / PhysRevC.67.014309.
  9. ^ Myers, W. D .; Святецкий, В. Дж. (1966). «Ядерные массы и деформации». Nucl. Phys. А. 81: 1–60. Дои:10.1016/0029-5582(66)90639-0.
  10. ^ Krappe, H.J .; Никс, Дж. Р. и Сирк, А. Дж. (1979). «Единый ядерный потенциал для упругого рассеяния тяжелых ионов, слияния, деления, масс и деформаций в основном состоянии». Phys. Ред. C. 20 (3): 992–1013. Bibcode:1979PhRvC..20..992K. Дои:10.1103 / PhysRevC.20.992.
  11. ^ D. N. Poenaru, D. N .; Иваску, М., Мазилу, Д. (1980). «Сложенная Юкава-плюс-экспоненциальная модель ППЭ для ядер с различной плотностью заряда». Computer Phys. Общение. 19 (2): 205–214. Bibcode:1980CoPhC..19..205P. Дои:10.1016 / 0010-4655 (80) 90051-X.
  12. ^ Blendowske, R .; Fliessbach, T .; Уоллизер, Х. (1996). в режимах ядерного распада. Издательский институт физики, Бристоль. С. 337–349. ISBN  978-0-7503-0338-5.
  13. ^ Поэнару, Д. Н .; Грейнер В. (1991). «Преобразование кластера как барьерная проницаемость». Physica Scripta. 44 (5): 427–429. Bibcode:1991ФИЗЫ ... 44..427P. Дои:10.1088/0031-8949/44/5/004.
  14. ^ Поэнару, Д. Н .; Иваску, М .; Сандулеску А. и Грейнер В. (1984). «Спонтанный выброс тяжелых кластеров». J. Phys. G: Nucl. Phys. 10 (8): L183 – L189. Bibcode:1984JPhG ... 10L.183P. Дои:10.1088/0305-4616/10/8/004.
  15. ^ Поэнару, Д. Н .; Schnabel, D .; Greiner, W .; Мазилу Д. и Гергеску Р. (1991). «Ядерные времена жизни кластерных радиоактивностей». Атомные данные и таблицы ядерных данных. 48 (2): 231–327. Bibcode:1991ADNDT..48..231P. Дои:10.1016 / 0092-640X (91) 90008-Р.
  16. ^ Поэнару, Д. Н .; Gherghescu, R.A. И Грейнер, В. (2006). «Поверхности потенциальной энергии для кластерных излучающих ядер». Phys. Ред. C. 73 (1): 014608. arXiv:ядерный / 0509073. Bibcode:2006PhRvC..73a4608P. Дои:10.1103 / PhysRevC.73.014608.
  17. ^ Поэнару, Д. Н .; Иваску М. и Сандулеску А. (1979). «Альфа-распад как процесс деления». J. Phys. G: Nucl. Phys. 5 (10): L169 – L173. Bibcode:1979JPhG .... 5L.169P. Дои:10.1088/0305-4616/5/10/005.
  18. ^ Поэнару, Д. Н .; Gherghescu, R.A. И Грейнер, В. (2011). «Единая универсальная кривая кластерной радиоактивности и альфа-распада». Phys. Ред. C. 83 (1): 014601. Bibcode:2011PhRvC..83a4601P. Дои:10.1103 / PhysRevC.83.014601.
  19. ^ Ци, С .; Xu, F. R .; Лиотта, Р. Дж. И Висс, Р. (2009). "Универсальный закон распада в эмиссии заряженных частиц и радиоактивности экзотических кластеров". Phys. Rev. Lett. 103 (7): 072501. arXiv:0909.4492. Bibcode:2009PhRvL.103g2501Q. Дои:10.1103 / PhysRevLett.103.072501. PMID  19792636.
  20. ^ Audi, G .; Вапстра, А. Х. и Тибо, К. (2003). «Оценка атомной массы AME2003». Nucl. Phys. А. 729 (1): 337–676. Bibcode:2003НуФА.729..337А. Дои:10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.003.
  21. ^ Baum, E.M .; и другие. (2002). Нуклиды и изотопы: Таблица нуклидов 16-е изд.. Лаборатория атомной энергии Ноллса (Lockheed Martin).
  22. ^ Bonetti, R .; Гульельметти, А. (2007). «Кластерная радиоактивность: обзор через двадцать лет» (PDF). Румынские доклады по физике. 59: 301–310.
  23. ^ Guglielmetti, A .; и другие. (2008). «Углеродная радиоактивность 223Ас и поиск эмиссии азота ». Journal of Physics: Серия конференций. 111 (1): 012050. Bibcode:2008JPhCS.111a2050G. Дои:10.1088/1742-6596/111/1/012050.
  24. ^ а б Greiner, M .; Шейд, В. (1986). «Радиоактивный распад в возбужденные состояния через эмиссию тяжелых ионов». J. Phys. G: Nucl. Phys. 12 (10): L229 – L234. Bibcode:1986JPhG ... 12L.229G. Дои:10.1088/0305-4616/12/10/003.
  25. ^ Бриллард, Л., Элайи, А.Г., Хурани, Э., Хассоннуа, М., Ле Ду, Дж. Ф. Розье, Л. Х. и Стаб, Л. (1989). "Mise en proofs d'une structure fine dans la radioactivite". 14C ". C. R. Acad. Sci. Париж. 309: 1105–1110.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  26. ^ Hourany, E .; и другие. (1995). "223Ядерная спектроскопия Ra в 14C Радиоактивность ». Phys. Rev. 52 (1): 267–270. Bibcode:1995PhRvC..52..267H. Дои:10.1103 / Physrevc.52.267.
  27. ^ Sheline, R.K .; Рагнарссон, И. (1991). «Интерпретация тонкой структуры в 14C радиоактивный распад 223Ра ". Phys. Ред. C. 43 (3): 1476–1479. Bibcode:1991ФРВЦ..43.1476С. Дои:10.1103 / PhysRevC.43.1476.

внешняя ссылка