Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ядерная физика
NuclearReaction.svg
Ядро  · Нуклоны  ( p , n )  · Ядерное вещество  · Ядерная сила  · Структура  ядра · Ядерная реакция
Модели ядра
Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Классификация нуклидов
Изотопы - равны Z
Изобары - равны A
Изотоны - равны N
Изодиафер - равны N  -  Z
      Изомеры - равны всем вышеперечисленным
зеркальным ядрам  - Z ↔ N
Стабильный  · Магия  · Четный / нечетный  · Гало  ( Борромео )
Ядерная стабильность
Энергия связи  · Соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности  · Стабильный нуклид
Радиоактивный распад
Альфа α  · Бета β  ( 2β , β + )  · Захват K / L  · Изомерный  ( Гамма γ  · Внутреннее преобразование )  · Спонтанное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Эмиссия протонов
Распад энергия  · Распад цепь  · Распад продукт  · Радиогенная нуклид
Ядерное деление
Спонтанное  · Продукты  ( разрушение пар )  · Фотоделение
Процессы захвата
электрон ( 2 × )  · нейтрон  ( s  · r )  · протон  ( p  · rp )
Высокоэнергетические процессы
Расщепление ( космическими лучами )  · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и
ядерная астрофизика

Процессы ядерного синтеза : звездные  · Большой взрыв  · Нуклиды сверхновых
: изначальные  · космогенные  · искусственные
Ядерная физика высоких энергий
Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые
Альварес  · Беккерель  · Бете  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ир. Кюри  · о. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Йенсен  · Лоуренс  · Майер  · Мейтнер  · Олифант  · Оппенгеймер  · Прока  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Содди · Штрассманн  · Свинтецкий  · Сцилард  · Теллер  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер
  • v
  • т
  • е

Кластерный распад , также называемый радиоактивностью тяжелых частиц или радиоактивностью тяжелых ионов , представляет собой редкий тип ядерного распада, при котором атомное ядро ​​испускает небольшой «кластер» нейтронов и протонов , больше, чем в альфа-частице , но меньше, чем типичное двойное деление. фрагмент . Тройное деление на три фрагмента также дает продукты размером с кластер. Потеря протонов из 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 + Z e . [1] Например:

223
88Ра
 → 14
6C
 + 209
82Pb

Этот тип редкой моды распада наблюдался в радиоизотопах, которые распадаются преимущественно за счет альфа-излучения , и он встречается только в небольшом проценте распадов для всех таких изотопов. [2]

Коэффициент ветвления по отношению к альфа-распаду довольно невелик (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 быть испущенным, кластер должен преодолеть потенциальный барьер. Этот процесс отличается от более случайного ядерного распада, который предшествует испусканию легких фрагментов в тройном делении , которое может быть результатом ядерной реакции , но также может быть типом спонтанного радиоактивного распада в определенных нуклидах, демонстрируя, что входящая энергия не является обязательно необходимо для деления, которое механистически остается принципиально другим процессом.

Теоретически любое ядро ​​с Z > 40, для которого выделяемая 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, T c <10 32 с, и достаточно большого отношения ветвления B> 10 -17 .

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 количества движения

где A d - массовое число дочери, A d = A - A e .

Распад кластера находится в промежуточном положении между альфа-распадом (при котором ядро ​​выплевывает ядро 4 He ) и спонтанным делением , при котором тяжелое ядро ​​распадается на два (или более) больших фрагмента и определенное 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 [ править ]

Первые сведения об атомном ядре были получены в начале 20 века при изучении радиоактивности. В течение долгого времени были известны только три вида ядерных мод распада ( альфа , бета и гамма ). Они иллюстрируют три основных взаимодействия в природе: сильное , слабое и электромагнитное . Спонтанное деление стало лучше изучаться вскоре после его открытия в 1940 году Константином Петржаком и Георгием Флёровым из-за как военных, так и мирных применений индуцированного деления. Это было обнаружено около 1939 года Отто Ганом ,Лиз Мейтнер и Фриц Штрассманн .

Есть много других видов радиоактивности, например распад кластера, распад протона , различные режимы бета-задержки распада (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, альфа, f), изомеры деления , сопровождаемые частицами (тройное) деление и т. д. Высота потенциального барьера, в основном кулоновского характера, для вылета заряженных частиц намного больше наблюдаемой кинетической энергии вылетающих частиц. Спонтанный распад можно объяснить только квантовым туннелированием аналогично первому применению квантовой механики к ядрам, данному 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, эмиссия углерода-14 из радия-223, сделанная 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 предсказания были сделаны в 1980 году [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 макроскопически-микроскопическом подходе [6] с использованием асимметричной двухцентровой оболочечной модели [7] [8] энергий уровней в качестве входных данных для оболочечных и парных поправок. Либо модель жидкой капли [9], либо экспоненциальная модель Юкавы [10], распространенная на различные отношения заряда к массе [11]были использованы для расчета макроскопической энергии деформации.

Теория проницаемости предсказала восемь мод распада: 14 C, 24 Ne, 28 Mg, 32,34 Si, 46 Ar и 48,50 Ca от следующих родительских ядер: 222 224 Ra, 230 232 Th, 236 238 U, 244 246 Pu, 248 250 Cm, 250,252 Cf, 252,254 Fm и 252,254 No.

Первый экспериментальный отчет был опубликован в 1984 году, когда физики Оксфордского университета обнаружили, что 223 Ra испускает одно ядро 14 C на каждый миллиард (10 9 ) распадов в результате альфа-излучения.

Теория [ править ]

Квантовое туннелирование может быть рассчитано либо путем расширения теории деления на большую асимметрию масс, либо с помощью более тяжелых испускаемых частиц из теории альфа-распада . [12]

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

где - частота атак на барьер в секунду, S - вероятность преформации кластера на ядерной поверхности, а 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 преформации - это проницаемость внутренней части барьера от начальной точки поворота R i до точки касания R t . [13] Очень часто он рассчитывается с использованием приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ).

Очень большое количество, порядка 10 5 , комбинаций родительско-испускаемых кластеров было рассмотрено в систематическом поиске новых мод распада . Большой объем вычислений может быть выполнен за разумное время с использованием модели ASAF, разработанной Дорином Н. Поенару , Вальтером Грейнером и др. 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. Подробные таблицы периодов полураспада , коэффициентов ветвления и кинетической 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 холодного деления . Модель ASAF может использоваться 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 логарифмической шкале уравнение log T = f (log P s ) представляет собой единственную 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 P s ). [18] Экспериментальные данные по распаду кластера в трех группах четно-четных, четно-нечетных и нечетно-четных родительских ядер воспроизводятся с сопоставимой точностью с помощью обоих типов универсальных кривых, подобных делению UNIV и UDL [19], полученных с использованием альфа-подобная теория R-матрицы.

Чтобы найти высвобожденную энергию

можно использовать компиляцию измеренных масс [20] M, M d и M e родительского, дочернего и испущенного ядер, c - скорость света. Избыток массы преобразуется в энергию по формуле Эйнштейна E = mc 2 .

Эксперименты [ править ]

Основная экспериментальная трудность при наблюдении распада кластера связана с необходимостью идентифицировать несколько редких событий на фоне альфа-частиц. Экспериментально определяемыми величинами являются частичный период полураспада T c и кинетическая энергия испускаемого кластера E k . Также существует необходимость идентифицировать испускаемую частицу.

Обнаружение излучений основано на их взаимодействии с веществом, которое в основном приводит к ионизации. Используя полупроводниковый телескоп и обычную электронику для идентификации ионов 14 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), нечувствительные 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. Бьюфорд Прайс, Эйд Урани, 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: 221 Fr, 221-224,226 Ra, 223,225 Ac, 228,230 Th, 231 Па, 230,232-236 U, 236 238 Pu и 242 Cm. Только верхние пределы могли быть обнаружены в следующих случаях: распад 12 C 114 Ba, распад 15 N 223 Ac, распад 18 O 226 Th, 24,26 Ne распада 232 Th и 236 U, распады 28 Mg 232 233 235U, 30 Mg распад 237 Np и 34 Si распад 240 Pu и 241 Am.

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 периодом полураспада и коэффициентами ветвления относительно альфа-распада, предсказанных с помощью аналитической модели суперсимметричного 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 предсказанными 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 выбросы кластеров по состоянию на 2010 год следующие: [21] [22] [23]

ИзотопИспускаемая частицаКоэффициент разветвленияжурнал T (с)Q (МэВ)
114 Ba12 С< 3,4 × 10 −5> 4,1018,985
221 пт14 С8,14 × 10 −1314,5231,290
221 Ra14 С1,15 × 10 −1213,3932,394
222 Ra14 С3,7 × 10 −1011.0133,049
223 Ra14 С8,9 × 10 −1015.0431 829
224 Ra14 С4,3 × 10 −1115,8630,535
223 Ас14 С3,2 × 10 −1112,9633,064
225 АС14 С4,5 × 10 −1217,2830,476
226 Ra14 С3,2 × 10 −1121,1928,196
228 Чт20 O1,13 × 10 −1320,7244,723
230 Чт24 Ne5,6 × 10 −1324,6157,758
231 Па23 F9,97 × 10 −1526.0251 844
24 Ne1,34 × 10 −1122,8860,408
232 U24 Ne9,16 × 10 −1220,4062,309
28 мг< 1,18 × 10 −13> 22,2674,318
233 U24 Ne7,2 × 10 −1324,8460,484
25 Ne60,776
28 мг<1,3 × 10 −15> 27,5974,224
234 U28 мг1,38 × 10 −1325,1474,108
24 Ne9,9 × 10 −1425,8858,825
26 Ne59,465
235 U24 Ne8,06 × 10 −1227,4257,361
25 Ne57,756
28 мг< 1,8 × 10 −12> 28,0972,162
29 мг72,535
236 U24 Ne< 9,2 × 10 −12> 25,9055,944
26 Ne56,753
28 мг2 × 10 −1327,5870,560
30 мг72,299
236 Pu28 мг2,7 × 10 −1421,5279,668
237 нп30 мг< 1,8 × 10 −14> 27,5774,814
238 Pu32 Si1,38 × 10 −1625,2791 188
28 мг5,62 × 10 −1725,7075,910
30 мг76 822
240 Pu34 Si< 6 × 10 −15> 25,5291,026
241 утра34 Si< 7,4 × 10 −16> 25,2693,923
242 см34 Si1 × 10 −1623.1596,508

Тонкая структура [ править ]

Тонкая структура 14 C-радиоактивности 223 Ra была впервые обсуждена М. Грейнером и W. Scheid в 1986 году. [24] Сверхпроводящий спектрометр SOLENO от IPN Orsay используется с 1984 года для идентификации кластеров 14 C, испускаемых из 222 -224,226 ядер Ra. Более того, он был использован для обнаружения [25] [26] тонкой структуры, наблюдающей переходы в возбужденные состояния дочернего элемента. Переход с возбужденным состоянием 14 C, предсказанный в [5]. [24] пока 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] подтвердилась: основная сферическая составляющая деформированной материнской волновой функции имеет характер i 11/2 , т.е. основная составляющая сферическая.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дорин N Poenaru , Walter Greiner (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, DN; Грейнер В. (1996). Режимы ядерного распада . Издательский институт физики, Бристоль. С. 1–577. ISBN 978-0-7503-0338-5.
  3. ^ Encyclopdia Britannica Online . 2011 г.
  4. ^ Сандулеску, А .; Poenaru, DN & Greiner W. "Новый тип распада тяжелых ядер, промежуточных между делением и альфа-распадом". Сов. J. Part. Nucl . 11 : 528–541.
  5. ^ Роуз, HJ; Джонс, Джорджия (19 января 1984 г.). «Новый вид естественной радиоактивности». Природа . 307 (5948): 245–247. Bibcode : 1984Natur.307..245R . DOI : 10.1038 / 307245a0 .
  6. ↑ Струтинский, В.М. (1967). «Оболочечные эффекты в ядерных массах и энергиях деформации». Nucl. Phys. . 95 (2): 420–442. Bibcode : 1967NuPhA..95..420S . DOI : 10.1016 / 0375-9474 (67) 90510-6 .
  7. ^ Maruhn, JA; Грейнер, В. (1972). «Асимметричная двухцентровая модель оболочки». Z. Phys . 251 (5): 431–457. Bibcode : 1972ZPhy..251..431M . DOI : 10.1007 / BF01391737 .
  8. ^ Gherghescu, RA (2003). «Модель деформированной двухцентровой оболочки». Phys. Ред . С. 67 (1): 014309. arXiv : nucl-th / 0210064 . Bibcode : 2003PhRvC..67a4309G . DOI : 10.1103 / PhysRevC.67.014309 .
  9. ^ Майерс, WD; Святецкий, WJ (1966). «Ядерные массы и деформации» . Nucl. Phys. . 81 : 1–60. DOI : 10.1016 / 0029-5582 (66) 90639-0 .
  10. ^ Krappe, HJ; 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 . С. 20 (3): 992–1013. Bibcode : 1979PhRvC..20..992K . DOI : 10.1103 / PhysRevC.20.992 .
  11. ^ DN Poenaru, DN; 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 . DOI : 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, DN; Грейнер В. (1991). «Преобразование кластера как барьерная проницаемость». Physica Scripta . 44 (5): 427–429. Bibcode : 1991PhyS ... 44..427P . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 44/5/004 .
  14. ^ Поэнару, DN; 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 . DOI : 10.1088 / 0305-4616 / 10/8/004 .
  15. ^ Поэнару, DN; 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 . DOI : 10.1016 / 0092-640X (91) 90008-R .
  16. ^ Поэнару, DN; Gherghescu, RA & Greiner, W. (2006). «Поверхности потенциальной энергии для кластерных излучающих ядер». Phys. Ред . С. 73 (1): 014608. arXiv : nucl-th / 0509073 . Bibcode : 2006PhRvC..73a4608P . DOI : 10.1103 / PhysRevC.73.014608 .
  17. ^ Поэнару, DN; Иваску М. и Сандулеску А. (1979). «Альфа-распад как процесс деления». J. Phys. G: Nucl. Phys . 5 (10): L169 – L173. Bibcode : 1979JPhG .... 5L.169P . DOI : 10.1088 / 0305-4616 / 5/10/005 .
  18. ^ Поэнару, DN; Gherghescu, RA & Greiner, W. (2011). «Единая универсальная кривая кластерной радиоактивности и альфа-распада». Phys. Ред . С. 83 (1): 014601. Bibcode : 2011PhRvC..83a4601P . DOI : 10.1103 / PhysRevC.83.014601 .
  19. ^ Qi, C .; Сюй, Франция; 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 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.103.072501 . PMID 19792636 . 
  20. ^ Audi, G .; Вапстра, А. Х. и Тибо, К. (2003). «Оценка атомной массы AME2003». Nucl. Phys. . 729 (1): 337–676. Bibcode : 2003NuPhA.729..337A . DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.003 .
  21. ^ Баум, EM; и другие. (2002). Нуклиды и изотопы: Таблица нуклидов 16-е изд . Лаборатория атомной энергии Ноллса (Локхид Мартин).
  22. ^ Bonetti, R .; Гульельметти, А. (2007). «Кластерная радиоактивность: обзор через двадцать лет» (PDF) . Румынские отчеты по физике . 59 : 301–310.
  23. ^ Guglielmetti, A .; и другие. (2008). «Углеродная радиоактивность 223 Ас и поиск выбросов азота». Журнал физики: Серия конференций . 111 (1): 012050. Bibcode : 2008JPhCS.111a2050G . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 111/1/012050 .
  24. ^ a b 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 . DOI : 10.1088 / 0305-4616 / 12/10/003 .
  25. ^ Brillard, Л., Elayi А.Г., Hourani, Е., Hussonnois, М., Ле Ду, И. Ф. Розье, ЛГ, и Stab, Л. (1989). "Доказательства тонкой структуры в радиоактивном веществе 14 C". CR Acad. Sci. Париж . 309 : 1105–1110.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ Hourany, E .; и другие. (1995). « Ядерная спектроскопия 223 Ra в радиоактивности 14 C» . Phys. Ред . 52 (1): 267–270. Bibcode : 1995PhRvC..52..267H . DOI : 10.1103 / physrevc.52.267 .
  27. ^ Шелин, РК; Рагнарссон, И. (1991). «Интерпретация тонкой структуры в радиоактивном распаде 14 C 223 Ra». Phys. Ред . С. 43 (3): 1476–1479. Bibcode : 1991PhRvC..43.1476S . DOI : 10.1103 / PhysRevC.43.1476 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальный центр ядерных данных