Ядерная капельная линия - Nuclear drip line

эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью от добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Ядерная капельная линия»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Ноябрь 2018) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к сделать понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Август 2020 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Таблица нуклидов для углерод к фтор. Режимы распада:^{[требуется разъяснение ]}

  испускание протона

  позитронное излучение или захват электронов

  стабильный изотоп

  бета-распад

  нейтронное излучение

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Нуклиды классификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z      Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Даже странно  · Гало  (Борромео )
Ядерная стабильность Связующая энергия  · соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  (2β, β+ ) · К / л захват  · Изомерный  (Гамма γ  · Внутреннее преобразование ) · Самопроизвольное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Испускание протонов Энергия распада  · Цепочка распада  · Продукт распада  · Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный  · Продукты  (разрыв пары ) · Фотоделение
Процессы захвата электрон (2× ) · нейтрон  (s  · р ) · протон  (п  · rp )
Высокоэнергетические процессы Скалывание (космическим лучом ) · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Термоядерная реакция Процессы: Звездный  · Большой взрыв  · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный  · Космогенный  · Искусственный
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Быть  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ir. Кюри  · Пт. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Дженсен  · Лоуренс  · Майер  · Meitner  · Олифант  · Оппенгеймер  · Proca  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Soddy  · Strassmann  · Ąwitecki  · Сцилард  · Кассир  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер

В ядерная капельная линия - граница, ограничивающая зону, за которой атомные ядра распадаются с испусканием протона или нейтрона.

Произвольная комбинация протоны и нейтроны не обязательно дает стабильный ядро. Можно подумать о движении вверх и / или вправо через таблица нуклидов добавлением одного типа нуклона к данному ядру. Однако добавление нуклонов по одному к данному ядру в конечном итоге приведет к образованию вновь образованного ядра, которое немедленно распадается с испусканием протона (или нейтрона). Говоря простым языком, нуклон «вытек» или «вытек» из ядра, отсюда и возник термин «капельная линия».

Капельные линии определены для протонов и нейтронов на крайнем уровне отношение протонов к нейтронам; при соотношении p: n на уровне или за пределами капельных линий связанные ядра не могут существовать. Хотя расположение капельной линии протонов хорошо известно для многих элементов, расположение нейтронной капельной линии известно только для элементов до неон.^[1]

Общее описание

Ядерная стабильность ограничивается теми комбинациями протонов и нейтронов, которые описываются карта нуклидов, также называемый долина стабильности. Границами этой долины являются нейтронная капля на стороне, богатой нейтронами, и линия капель протонов на стороне, богатой протонами.^[2] Эти ограничения существуют из-за распада частицы, в результате чего экзотермический ядерный переход может происходить из-за испускания одного или нескольких нуклонов (не путать с распад частиц в физика элементарных частиц ). Таким образом, капельная линия может быть определена как граница, за которой протон или нейтрон энергия разделения становится отрицательным, что способствует испусканию частицы из вновь образованной несвязанной системы.^[2]

Разрешенные переходы

При рассмотрении того, является ли энергетически допустимой конкретная ядерная трансмутация, реакция или распад, нужно только суммировать массы начального ядра / ядер и вычесть из этого значения сумму масс частиц продукта. Если результат, или Q-значение, является положительным, тогда трансмутация разрешена, или экзотермической, потому что она высвобождает энергию, и если Q-значение является отрицательной величиной, то это эндотермическое, так как по крайней мере столько энергии должно быть добавлено к системе, прежде чем трансмутация может продолжиться. Например, чтобы определить, ¹²C, наиболее распространенный изотоп углерода, может испускать протоны в ¹¹B, обнаружено, что для того, чтобы этот процесс был разрешен, необходимо добавить в систему около 16 МэВ.^[3] В то время как Q-значения могут использоваться для описания любой ядерной трансмутации, для распада частицы также используется величина S энергии отделения частиц, которая эквивалентна отрицательному значению Q-значения. Другими словами, энергия отделения протонов S_п указывает, сколько энергии нужно добавить к данному ядру, чтобы удалить один протон. Таким образом, капельные линии частиц определяют границы, на которых энергия разделения частиц меньше или равна нулю, для которых энергетически разрешено спонтанное излучение этой частицы.^[4]

Хотя расположение капельных линий хорошо определяется как граница, за которой энергия разделения частиц становится отрицательной, определение того, что составляет ядро ​​или несвязанный резонанс неясно.^[2] Некоторые известные ядра легких элементов за пределами капельных линий распадаются со временем жизни порядка 10⁻²² секунды; Иногда это определяется как предел ядерного существования, потому что в этой временной шкале происходят несколько фундаментальных ядерных процессов (таких как вибрация и вращение).^[4] Для более массивных ядер период полураспада частиц может быть значительно больше из-за более сильного Кулоновский барьер и включить другие переходы, такие как альфа и бета-распад вместо этого произойти. Это затрудняет однозначное определение капельных линий, поскольку ядра, время жизни которых достаточно велико, чтобы их можно было наблюдать, существуют намного дольше, чем время испускания частиц, и, скорее всего, связаны.^[2] Следовательно, ядра, не связанные с частицами, трудно наблюдать напрямую, и вместо этого их можно идентифицировать по энергии их распада.^[4]

Ядерная структура происхождения капельных линий

Энергия нуклона в ядре - это его энергия покоя минус энергия связи. Кроме того, есть энергия из-за вырождения: например, нуклон с энергией E₁ будет вынужден к более высокой энергии E₂ если все нижние энергетические состояния заполнены. Это потому, что нуклоны фермионы и подчиняться Статистика Ферми – Дирака. Работа, проделанная по переводу этого нуклона на более высокий энергетический уровень, приводит к давлению, которое является давление вырождения. Когда эффективная энергия связи, или Энергия Ферми, достигает нуля,^[5] добавление к ядру нуклона с таким же изоспином невозможно, так как новый нуклон будет иметь отрицательную эффективную энергию связи, то есть более энергетически выгодно (система будет иметь самую низкую общую энергию), чтобы нуклон был создан вне ядра. Это определяет точку каплепадения частиц для данного вида.

Одно- и двухчастичные капельные линии

Во многих случаях нуклиды вдоль капельных линий не являются смежными, а скорее разделены так называемыми одночастичными и двухчастичными капельными линиями. Это следствие четные и нечетные числа нуклонов влияя на энергию связи, поскольку нуклиды с четным числом нуклонов обычно имеют более высокую энергию связи и, следовательно, большую стабильность, чем соседние нечетные ядра. Эти различия в энергии приводят к образованию одночастичной капельной линии нечетногоZ или странно-N нуклид, для которого быстрое испускание протонов или нейтронов является энергетически выгодным в этом нуклиде и во всех других нечетных нуклидах за пределами капельной линии.^[5] Однако следующий четный нуклид за пределами одночастичной капельной линии может все еще быть стабильной частицей, если его энергия разделения двух частиц неотрицательна. Это возможно, потому что энергия разделения двух частиц всегда больше, чем энергия разделения одной частицы, и переход к менее стабильному нечетному нуклиду энергетически запрещен. Таким образом определяется двухчастичная капельная линия там, где энергия разделения двух частиц становится отрицательной, и обозначает самую внешнюю границу для устойчивости частиц определенного вида.^[5]

Одно- и двухнейтронные капельные линии были экспериментально определены вплоть до неона, хотя несвязанные нечетныеN изотопы известны или выводятся из-за несоблюдения для каждого элемента, вплоть до магния.^[2] Например, последняя граница нечетного-N изотоп фтора ²⁶F,^[6] хотя последний прыжок даже -N изотоп ³¹Ф.^[1]

Ядра возле капельных линий - редкость на Земле

Из трех типов встречающихся в природе радиоактивность (α, β и γ), только альфа-распад это тип распада в результате ядерная мощная сила. Другие распады протонов и нейтронов произошли намного раньше в жизни атомных разновидностей и до образования Земли. Таким образом, альфа-распад можно рассматривать либо как форму распада частицы, либо, реже, как частный случай ядерное деление. Сроки для ядерная мощная сила намного быстрее, чем у ядерная слабая сила или электромагнитная сила, поэтому время жизни ядер за пределами капельных линий обычно составляет порядка наносекунд или меньше. Для альфа-распада шкала времени может быть намного больше, чем для испускания протона или нейтрона из-за высокого кулоновского барьера, видимого альфа-кластером в ядре (альфа-частица должна туннель через преграду). Как следствие, на Земле нет естественных ядер, которые подвергаются протонной или нейтронное излучение; однако такие ядра могут быть созданы, например, в лаборатории с ускорители или естественно в звезды.

Такие распады частиц обычно не известны, потому что распад частиц определяется ядерная мощная сила, а также кулоновская сила в случае заряженных частиц, которая может действовать очень быстро (фемтосекунды или меньше). С точки зрения ядерной физики, ядра, которые находятся за пределами капельных линий, не связаны с частицами и считаются несуществующими, поскольку они могут существовать только в энергетический континуум а не в дискретных квантованных состояниях, с которыми мы знакомы. При обсуждении капельных линий протонов и нейтронов одно номенклатурное удобство состоит в том, чтобы рассматривать бета-нестабильные ядра как стабильные (строго говоря, они устойчивы к частицам) из-за значительной разницы во временных масштабах этих двух разных режимов распада.^{[нужна цитата ]}

Таким образом, единственный тип ядер, которые являются более долгоживущими и испускают протоны или нейтроны, относятся к классу бета-запаздывающих распадов, где сначала изоспин одного нуклона меняет направление (протон на нейтрон или наоборот) посредством бета-распада, а затем если энергия отделения частиц неположительна, дочернее ядро ​​подвергнется распаду частицы. Большинство естественных γ-источников технически представляют собой β-задержанный γ-распад, поэтому эта концепция должна быть вам знакома; некоторые гамма-источники имеют α-задержку, но они обычно относятся к другим альфа-источникам.^{[нужна цитата ]}

Астрофизическая значимость

В ядерная астрофизика, капельные линии особенно примечательны как ограничивающие границы для взрывной нуклеосинтез, а также в других обстоятельствах с экстремальным давлением или температурными условиями, такими как нейтронные звезды.^{[нужна цитата ]}

Нуклеосинтез

Взрывоопасные астрофизические среды часто имеют очень большие размеры. потоки нуклонов высоких энергий, которые могут быть захвачены на зародыши семян. В этих средах излучающий протон или захват нейтронов будет происходить намного быстрее, чем бета-распад, и поскольку астрофизические среды с большими потоками нейтронов и протонами высоких энергий в настоящее время неизвестны, поток реакции будет идти дальше от бета-устойчивости к или до нейтронных или протонных капельных линий, соответственно. Однако, как мы видели, как только ядро ​​достигает дип-линии, нуклоны этого вида больше не могут быть добавлены к конкретному ядру, и ядро ​​должно сначала подвергнуться бета-распаду, прежде чем могут произойти дальнейшие захваты нуклонов.

Фотодезинтеграция

В то время как капельные линии устанавливают окончательные границы для нуклеосинтеза, в высокоэнергетических средах путь горения может быть ограничен до того, как капельные линии будут достигнуты. фотодезинтеграция, где гамма-излучение высокой энергии выбивает нуклон из ядра. Одно и то же ядро ​​подвержено потоку нуклонов и фотонов, поэтому равновесие достигается там, где масса нарастает на определенных ядерных частицах.

Поскольку фотонная ванна обычно описывается Планковское распределение фотоны с более высокой энергией будут менее многочисленными, и поэтому фотодезинтеграция не станет значительной, пока энергия разделения нуклонов не начнет приближаться к нулю в направлении капельных линий, где фотодезинтеграция может быть вызвана гамма-лучами с более низкой энергией. При 1 × 10⁹ Кельвина, распределение фотонов достаточно энергично, чтобы выбивать нуклоны из любых ядер с энергией разделения частиц менее 3 МэВ,^[7] но чтобы знать, какие ядра существуют в каком количестве, необходимо также учитывать конкурирующие радиационные захваты.

Так как захват нейтронов может протекать в любом энергетическом режиме, фоторасщепление нейтронов неважно, за исключением более высоких энергий. Однако, поскольку захват протонов тормозится кулоновским барьером, сечения этих реакций заряженных частиц при более низких энергиях сильно подавляются, а в режимах более высоких энергий, где протонный захват имеет большую вероятность, часто возникает конкуренция между захват протонов и фотораспад, происходящий при взрывном горении водорода; но поскольку линия наклона протона относительно намного ближе к долине бета-стабильности, чем линия наклона нейтронов, нуклеосинтез в некоторых средах может продолжаться до любой точки падения нуклона.

Время ожидания и шкала времени

Как только радиационный захват больше не может происходить на данном ядре, либо из-за фотораспада, либо из-за капельных линий, дальнейшая ядерная переработка до более высокой массы должна либо обойти это ядро, вступив в реакцию с более тяжелым ядром, таким как ⁴Он или чаще ждёт бета-распада. Ядерные виды, у которых значительная часть массы накапливается во время определенного эпизода нуклеосинтеза, считаются точками ожидания ядер, поскольку дальнейшая обработка с помощью быстрых радиационных захватов задерживается.

Как уже подчеркивалось, бета-распады - это самые медленные процессы, происходящие при взрывном нуклеосинтезе. С точки зрения ядерной физики шкалы времени взрывного нуклеосинтеза устанавливаются простым суммированием соответствующих периодов полураспада бета-распада,^[8] поскольку шкала времени для других ядерных процессов по сравнению с ней пренебрежимо мала, хотя на практике в этой шкале времени обычно преобладает сумма нескольких периодов полураспада ядер в точке ожидания.

R-процесс

В быстрый процесс захвата нейтронов считается, что он работает очень близко к линии нейтронного схода, хотя и является астрофизическим участком r-процесса, хотя широко распространено мнение, что он имеет место в сверхновые с коллапсом ядра, неизвестно. Хотя линия нейтронного схода экспериментально очень плохо определена, а точный поток реакции точно не известен, различные модели предсказывают, что ядра на пути r-процесса имеют энергию разделения двух нейтронов (S_2n) примерно 2 МэВ. Считается, что за пределами этой точки стабильность быстро снижается вблизи капельной линии, причем бета-распад происходит до дальнейшего захвата нейтронов.^[9] Фактически, ядерная физика чрезвычайно богатой нейтронами материи - довольно новый предмет, который уже привел к открытию остров инверсии и ядра гало такие как ¹¹Li, который имеет очень диффузную нейтронную скин-оболочку, приводящую к общему радиусу, сопоставимому с радиусом ²⁰⁸Pb.^{[требуется разъяснение ]} Таким образом, хотя нейтронная капельная линия и r-процесс очень тесно связаны в исследованиях, это неизвестный рубеж, ожидающий будущих исследований, как теоретических, так и экспериментальных.

В rp-обработать

В быстрый процесс захвата протонов в Рентгеновские вспышки проходит на линии капельного протона, за исключением некоторых точек ожидания фотодезинтеграции. Это включает ядра ²¹Mg, ³⁰S, ³⁴Ar, ³⁸Ca, ⁵⁶Ni, ⁶⁰Zn, ⁶⁴Ge, ⁶⁸Se,⁷²Kr, ⁷⁶Sr и ⁸⁰Zr.^[10][11]

Выявляется одна четкая модель структуры ядра - важность спаривание, как можно заметить, все указанные выше точки ожидания находятся на ядрах с четным числом протонов, и все, кроме ²¹Mg также имеет четное число нейтронов. Однако точки ожидания будут зависеть от предположений модели рентгеновского всплеска, таких как металличность, темп аккреции и гидродинамика, наряду с ядерными неопределенностями, и, как упоминалось выше, точное определение точки ожидания может не согласовываться от одного исследования к другому. Хотя есть ядерная неопределенность по сравнению с другими процессами взрывного нуклеосинтеза, rp-процесс довольно хорошо ограничен экспериментально, так как, например, все указанные выше ядра точки ожидания по крайней мере наблюдались в лаборатории. Таким образом, поскольку исходные данные по ядерной физике можно найти в литературе или сборниках данных, Вычислительная инфраструктура для ядерной астрофизики позволяет проводить расчеты постобработки на различных моделях рентгеновских всплесков и определять для себя критерии точки ожидания, а также изменять любые ядерные параметры.

В то время как rp-процесс в рентгеновских вспышках может иметь трудности с обходом ⁶⁴Точка ожидания Ge,^[11] конечно в Рентгеновские пульсары где rp-процесс стабильный, неустойчивость к альфа-распаду устанавливает верхний предел около А = 100 от массы, достигаемой непрерывным горением.^[12] Точный предел в настоящее время исследуется; ^104–109Те, как известно, претерпевают альфа-распад, тогда как ¹⁰³Sb не связан с протонами.^[6] Даже до предела рядом А = 100, считается, что поток протонов значительно уменьшится и, следовательно, замедлится rp-процесс, прежде чем низкая скорость захвата и цикл превращений между изотопами олова, сурьмы и теллура при дальнейшем захвате протона полностью прекратят его.^[13] Однако было показано, что если есть эпизоды охлаждения или смешивания предыдущей золы с зоной горения, материал столь же тяжелый, как ¹²⁶Xe можно создать.^[14]

Нейтронные звезды

В нейтронные звезды, нейтронные тяжелые ядра обнаруживаются, когда релятивистские электроны проникают в ядра и производят обратный бета-распад, в котором электрон соединяется с протоном в ядре, образуя нейтрон и электрон-нейтрино:

п

+

е−

→

п

+

ν е

По мере того как в ядрах создается все больше и больше нейтронов, уровни энергии нейтронов заполняются до уровня энергии, равного массе покоя нейтрона. В этот момент любой электрон, проникающий в ядро, создаст нейтрон, который «вытечет» из ядра. На данный момент у нас есть:

${ Displaystyle E_ {F} ^ {n} = m_ {n} c ^ {2} ,}$

И с этого момента уравнение

${ displaystyle E_ {F} ^ {n} = { sqrt {(p_ {F} ^ {n}) ^ {2} c ^ {2} + m_ {n} ^ {2} c ^ {4}} } ,}$

применяется, где п_F^п это Импульс Ферми нейтрона. По мере того, как мы углубляемся в нейтронную звезду, плотность свободных нейтронов увеличивается, а когда импульс Ферми увеличивается с увеличением плотности, Энергия Ферми возрастает, так что уровни энергии ниже верхнего уровня достигают нейтронной капли, и все больше и больше нейтронов вытекает из ядер, так что мы получаем ядра в нейтронной жидкости. В конце концов, все нейтроны вытечь из ядер, и мы достигли нейтронной жидкости внутри нейтронной звезды.

Известные ценности

Капельная линия нейтронов

Значения нейтронной капельной линии известны только для первых десяти элементов, от водорода до неона.^[15] Для кислорода (Z = 8) максимальное количество связанных нейтронов равно 16, что ²⁴О самый тяжелый изотоп кислорода, связанный с частицами.^[16] Для неона (Z = 10) максимальное количество связанных нейтронов увеличивается до 24 в наиболее тяжелых частицах стабильных изотопов ³⁴Ne. Местоположение нейтронной капельной линии для фтора и неона было определено в 2017 году по отсутствию наблюдения изотопов непосредственно за капельной линией. Тот же эксперимент показал, что самый тяжелый связанный изотоп следующего элемента, натрия, по крайней мере ³⁹Na.^[17] Это были первые новые открытия в области нейтронного потока за более чем двадцать лет.^[1]

Ожидается, что капельная линия нейтронов будет отклоняться от линия бета-стабильности после кальция со средним нейтронно-протонным соотношением 2,4.^[2] Следовательно, прогнозируется, что капельная линия нейтронов окажется вне досягаемости для элементов помимо цинка (где капельная линия оценивается около N = 60) или, возможно, циркония (оценка N = 88), поскольку никакие известные экспериментальные методы теоретически не способны создать необходимый дисбаланс протонов и нейтронов в капельных изотопах более тяжелых элементов.^[2] Действительно, изотопы, богатые нейтронами, такие как ⁴⁹S, ⁵²Cl и ⁵³Согласно расчетам, в 2017–2019 годах Ar, который, по расчетам, находился за пределами границы, был связан, что указывает на то, что линия наклона нейтронов может располагаться даже дальше от линии бета-стабильности, чем прогнозировалось.^[18]

В таблице ниже перечислены самые тяжелые изотопы, связанные с частицами, из первых десяти элементов.^[19]

Капельная линия протона

Общее положение капельной линии протона хорошо установлено. Для всех элементов, встречающихся в природе на Земле и имеющих нечетное число протонов, экспериментально обнаружен по крайней мере один вид с энергией отделения протонов меньше нуля. Вплоть до германий, расположение капельной линии для многих элементов с четным числом протонов известно, но ни один из них после этой точки не указан в оцененных ядерных данных. Есть несколько исключительных случаев, когда из-за спаривание ядер, за пределами капельной линии присутствуют частицы, связанные с частицами, например ⁸B и ¹⁷⁸Au.^{[требуется проверка ]} Также можно отметить, что близость к магические числа, капельная линия менее понятна. Компиляция первых несвязанных ядер, о которых известно, что они лежат за линией капель протона, приведена ниже. число протонов, Z и соответствующие изотопы, взятые из Национального центра ядерных данных.^[20]

Смотрите также

• Расширенная таблица Менделеева
• Таблица нуклидов
• Радиоактивный распад

использованная литература