Долина стабильности

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  ( p , n )  · Ядерная материя  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · 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 St 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 ( 0v ), 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  ( разрыв пары )  · 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

В ядерной физике , то долина стабильности (также называемый пояс стабильности , ядерной долине , энергии долины , или бета долины стабильности ) является характеристика устойчивости нуклидов к радиоактивности на основе их энергии связи. ^[1] Нуклиды состоят из протонов и нейтронов . Форма впадины относится к профилю энергии связи как функции количества нейтронов и протонов, при этом самая нижняя часть впадины соответствует области наиболее стабильных ядер . ^[2] Линия стабильных нуклидов в центре долины стабильности известна как линия бета-стабильности . Стороны долины соответствуют возрастающей нестабильности к бета-распаду (β ^- или β ⁺ ). Распад нуклида становится более энергетически выгодным, чем дальше он от линии бета-стабильности. Границы долины соответствуют ядерным капельным линиям , где нуклиды становятся настолько нестабильными, что испускают одиночные протоны или одиночные нейтроны . Области нестабильности в долине с высоким атомным номером также включают радиоактивный распад альфа-излучением или спонтанное деление.. Форма долины представляет собой примерно вытянутый параболоид, соответствующий энергиям связи нуклидов в зависимости от нейтронного и атомного номеров. ^[1]

Нуклиды в долине стабильности охватывают всю таблицу нуклидов . Диаграмма этих нуклидов известна как диаграмма Сегре в честь физика Эмилио Сегре . ^[3] Карту Сегре можно рассматривать как карту ядерной долины. Область комбинаций протонов и нейтронов за пределами долины стабильности называется морем нестабильности. ^{[4] [5]}

Ученые долгое время искали долгоживущие тяжелые изотопы за пределами долины стабильности ^{[6] [7] [8],} выдвинутой Гленном Т. Сиборгом в конце 1960-х годов. ^{[9] [10]} Ожидается, что эти относительно стабильные нуклиды будут иметь особую конфигурацию « магических » атомных и нейтронных чисел и образуют так называемый остров стабильности .

Описание [ править ]

Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных вместе ядерной силой . Есть 286 первичных нуклиды , которые встречаются в природе , на земле, каждое из которых соответствует уникальному числу протонов, называется атомный номер , Z и уникальное число нейтронов, называется числом нейтронов , N . Массовое число , , из нуклида представляет собой сумму атомных и нейтронных чисел, A = Z + N . Однако не все нуклиды стабильны. Согласно Бирну ^[3] стабильные нуклиды определяются как нуклиды с периодом полураспада.более 10 ¹⁸ лет, и существует множество комбинаций протонов и нейтронов, которые образуют нестабильные нуклиды. Типичным примером нестабильного нуклида является углерод-14, который распадается в результате бета-распада до азота-14 с периодом полураспада около 5730 лет.

¹⁴
₆C
→ ¹⁴
₇N
+
е^-
+
ν
_е

В этой форме распада исходный элемент становится новым химическим элементом в процессе, известном как ядерная трансмутация, и испускаются бета-частица и электронный антинейтрино . Существенным свойством этого и всех распадов нуклида является то, что полная энергия продукта распада меньше, чем у исходного нуклида. Разница между начальной и конечной энергиями связи нуклида уносится кинетическими энергиями продуктов распада, часто бета-частицы и связанного с ней нейтрино. ^[3]

Концепция долины стабильности - это способ организации всех нуклидов в соответствии с энергией связи как функцией числа нейтронов и протонов. ^[1] Большинство стабильных нуклидов имеют примерно равное количество протонов и нейтронов, поэтому линия, для которой Z = N, образует грубую начальную линию, определяющую стабильные нуклиды. Однако чем больше число протонов, тем больше нейтронов требуется для стабилизации нуклида, поэтому для нуклидов с большими значениями Z требуется еще большее количество нейтронов, N > Z, чтобы быть стабильным. Долина стабильности образована отрицательной энергией связи, энергия связи - это энергия, необходимая для разделения нуклида на его протонную и нейтронную компоненты. Стабильные нуклиды имеют высокую энергию связи, и эти нуклиды лежат на дне долины стабильности. Нуклиды с более слабой энергией связи имеют комбинации N и Z, которые лежат за пределами линии стабильности и далее вверх по сторонам долины стабильности. Нестабильные нуклиды могут образовываться, например, в ядерных реакторах или сверхновых . Такие нуклиды часто распадаются в последовательности реакций, называемых цепями распада.которые последовательно уносят образовавшиеся нуклиды по склонам долины стабильности. Последовательность распадов приводит нуклиды к большей энергии связи, и нуклиды, завершающие цепь, стабильны. ^[1] Долина стабильности обеспечивает как концептуальный подход к тому, как организовать мириады стабильных и нестабильных нуклидов в целостную картину, так и интуитивный способ понять, как и почему происходят последовательности радиоактивного распада. ^[1]

• Диаграмма нуклидов (изотопов) по энергии связи, изображающая долину стабильности. Диагональная линия соответствует равному количеству нейтронов и протонов. Темно-синие квадраты представляют нуклиды с наибольшей энергией связи, следовательно, они соответствуют наиболее стабильным нуклидам. Энергия связи максимальна на дне долины стабильности.

• График нуклидов по периодам полураспада. Черные квадраты представляют нуклиды с наибольшим периодом полураспада, следовательно, они соответствуют наиболее стабильным нуклидам. Наиболее стабильные долгоживущие нуклиды лежат на дне долины стабильности. Нуклиды с более чем 20 протонами должны иметь больше нейтронов, чем протонов, чтобы быть стабильными.

• Диаграмма нуклидов по типам распада. Черные квадраты - стабильные нуклиды. Нуклиды с избыточным количеством нейтронов или протонов нестабильны к β ^- (голубой) или β ⁺ (зеленый) распад соответственно. При высоком атомном номере альфа-излучение (оранжевый) или спонтанное деление (темно-синий) становятся обычными модами распада.

Роль нейтронов [ править ]

Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро, внутри ядра ведут себя почти одинаково. Приблизительная симметрия изоспина рассматривает эти частицы как идентичные, но в другом квантовом состоянии. Эта симметрия является лишь приблизительным, однако, и ядерная сила , которая связывает вместе нуклоны является сложной функцией в зависимости от типа нуклон, спинового состояния, электрического заряда, импульса и т.д. , и при участии не- центральных сил . Ядерная сила не является фундаментальной силой природы, а является следствием остаточных эффектов сильной силы , окружающей нуклоны. Одним из следствий этих осложнений является то, что хотя дейтерийсвязанное состояние протона (p) и нейтрона (n) является стабильным, экзотические нуклиды, такие как дипротон или динейтрон, не связаны. ^[11] Ядерная сила недостаточно сильна, чтобы образовывать pp или nn связанные состояния, или, что то же самое, ядерная сила не формирует потенциальную яму, достаточно глубокую, чтобы связать эти идентичные нуклоны. ^{[ необходима цитата ]}

Для стабильных нуклидов требуется примерно равное количество протонов и нейтронов. Например, стабильный нуклид углерода-12 ( ¹² C) состоит из шести нейтронов и шести протонов. Протоны имеют положительный заряд, поэтому внутри нуклида с большим количеством протонов существуют большие силы отталкивания между протонами, возникающие из-за кулоновской силы . Действуя для отделения протонов друг от друга, нейтроны в нуклиде играют важную роль в стабилизации нуклидов. С увеличением атомного номера для достижения стабильности требуется еще большее количество нейтронов. Самый тяжелый стабильный элемент, свинец (Pb), имеет гораздо больше нейтронов, чем протонов. Стабильный нуклид ²⁰⁶ Pb имеет Z  = 82 и N = 124, например. По этой причине долина стабильности не следует за линией Z  =  N для A больше 40 ( Z  = 20 - элемент кальций ). ^[3] Нейтронное число увеличивается по линии бета-стабильности быстрее, чем атомное число.

Линия бета-стабильности следует определенной кривой нейтронно-протонного отношения , соответствующей наиболее стабильным нуклидам. По одну сторону долины стабильности это отношение невелико, что соответствует избытку протонов над нейтронами в нуклидах. Эти нуклиды имеют тенденцию быть нестабильными к β ⁺ -распаду или захвату электронов, поскольку такой распад превращает протон в нейтрон. Распад способствует перемещению нуклидов в сторону более стабильного нейтронно-протонного отношения. По другую сторону долины стабильности это отношение велико, что соответствует избытку нейтронов над протонами в нуклидах. Эти нуклиды имеют тенденцию быть нестабильными к бета ^- распад, поскольку таким преобразует распад нейтронов в протоны. По эту сторону долины стабильности β ^- распад также способствует перемещению нуклидов в сторону более стабильного нейтронно-протонного отношения.

Нейтроны, протоны и энергия связи [ править ]

Масса атомного ядра определяется выражением

${\ displaystyle m = Zm_ {p} + Nm_ {n} - {\ frac {E_ {B}} {c ^ {2}}}}$

где и - масса покоя протона и нейтрона соответственно, а - полная энергия связи ядра. Здесь используется эквивалентность массы и энергии . Энергия связи вычитается из суммы масс протона и нейтрона, потому что масса ядра меньше этой суммы. Это свойство, называемое дефектом массы , необходимо для стабильного ядра; внутри ядра нуклиды захватываются потенциальной ямой . Полуэмпирическая формула массы утверждает, что энергия связи примет вид${\ displaystyle m_ {p}}$${\ displaystyle m_ {n}}$${\ displaystyle E_ {B}}$

${\displaystyle E_{B}=a_{V}A-a_{S}A^{2/3}-a_{C}{\frac {Z^{2}}{A^{1/3}}}-a_{A}{\frac {(A-2Z)^{2}}{A}}\pm \delta (A,Z)}$^[12]

Разница между массой ядра и суммой масс нейтронов и протонов, составляющих его, называется дефектом массы . E _B часто делят на массовое число, чтобы получить энергию связи на нуклон для сравнения энергий связи между нуклидами. Каждый из членов этой формулы имеет теоретическую основу. Коэффициенты , , , и коэффициент , который появляется в формуле определены эмпирически.${\displaystyle a_{V}}$${\displaystyle a_{S}}$${\displaystyle a_{C}}$${\displaystyle a_{A}}$${\displaystyle \delta (A,Z)}$

Выражение для энергии связи дает количественную оценку нейтронно-протонного отношения. Энергия представляет собой квадратичное выражение по Z , которое минимизируется, когда нейтронно-протонное отношение равно . Это уравнение для нейтронно-протонного отношения показывает, что в стабильных нуклидах количество нейтронов больше, чем количество протонов, на коэффициент, масштабируемый как .${\displaystyle N/Z\approx 1+{\frac {a_{C}}{2a_{A}}}A^{2/3}}$${\displaystyle A^{2/3}}$

На рисунке справа показана средняя энергия связи на нуклон как функция атомного массового числа вдоль линии бета-стабильности, то есть вдоль дна долины стабильности. Для очень малого атомного массового числа (H, He, Li) энергия связи на нуклон мала, и эта энергия быстро увеличивается с атомным массовым числом. Никель-62 (28 протонов, 34 нейтрона) имеет самую высокую среднюю энергию связи из всех нуклидов, в то время как железо-58 (26 протонов, 32 нейтрона) и железо-56 (26 протонов, 30 нейтронов) занимают второе и третье место. ^[13] Эти нуклиды лежат на самом дне долины стабильности. Отсюда средняя энергия связи, приходящаяся на нуклон, медленно уменьшается с увеличением массового атомного числа. Тяжелый нуклид238 U нестабилен, но медленно распадается с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет. ^[1] Он имеет относительно небольшую энергию связи на нуклон.

Для β ^- распада ядерные реакции имеют общий вид

^А
_ЯИкс
→ ^А
_{Я +1}ИКС'
+
е^-
+
ν
_е^[14]

где A и Z - массовое число и атомный номер распадающегося ядра, а X и X ′ - начальный и конечный нуклиды соответственно. Для β ⁺ -распада общий вид имеет вид

^А
_ЯИкс
→ ^A
_{Z −1}ИКС'
+
е⁺
+
ν
_е^[14]

Эти реакции соответствуют распаду нейтрона на протон или распаду протона на нейтрон в ядре соответственно. Эти реакции начинаются на одной или другой стороне долины стабильности, и направления реакций заключаются в перемещении исходных нуклидов вниз по стенкам долины к области большей стабильности, то есть к большей энергии связи.

На рисунке справа показана средняя энергия связи на нуклон в долине стабильности для нуклидов с массовым числом A  = 125. ^[15] Внизу этой кривой показан стабильный теллур ( ₅₂ Те). Нуклиды слева от ₅₂ Те нестабильны при избытке нейтронов, а нуклиды справа - при избытке протонов. Нуклид на левую сторону, следовательно , подвергается бета ^- распад, который превращает нейтрон в протон, следовательно , смещает нуклид вправо и к большей стабильности. Нуклид справа аналогичным образом подвергается β ⁺ -распаду, который смещает нуклид влево и в сторону большей стабильности.

Тяжелые нуклиды подвержены α-распаду, и эти ядерные реакции имеют общую форму:

^А
_ЯИкс
→ ^{А- 4}
_{Я -2}ИКС'
+ ⁴
₂Он

Как и в случае β-распада, продукт распада X 'имеет большую энергию связи и находится ближе к середине долины стабильности. Частиц α уносит два нейтрона и два протона, оставляя более легкий нуклид. Поскольку у тяжелых нуклидов нейтронов намного больше, чем протонов, α-распад увеличивает нейтронно-протонное отношение нуклида.

Капельные линии протонов и нейтронов [ править ]

Границами долины стабильности, то есть верхними пределами стенок долины, являются линия капельного выброса нейтронов на стороне, богатой нейтронами, и линия утечки протонов на стороне, богатой протонами. Капельные линии нуклонов находятся на крайних значениях нейтронно-протонного отношения. При нейтронно-протонных отношениях за пределами капельных линий ядра существовать не могут. Местоположение нейтронной капельной линии не очень хорошо известно для большей части диаграммы Сегре, тогда как протонные и альфа-капельные линии были измерены для широкого диапазона элементов. Линии капель определены для протонов, нейтронов и альфа-частиц, и все они играют важную роль в ядерной физике.

Разница в энергии связи между соседними нуклидами увеличивается по мере подъема сторон долины стабильности, и, соответственно, период полураспада нуклидов уменьшается, как показано на рисунке выше. Если к данному нуклиду добавлять нуклиды по одному, процесс в конечном итоге приведет к образованию нового нуклида, который настолько нестабилен, что быстро распадается с испусканием протона (или нейтрона). Говоря простым языком, нуклон «вытек» или «вытек» из ядра, отсюда и возник термин «капельная линия».

Эмиссия протонов не наблюдается в нуклидах природного происхождения. Излучатели протонов можно производить с помощью ядерных реакций , обычно с использованием линейных ускорителей частиц (линейный ускоритель). Хотя быстрое (то есть не запаздывающее с бета-задержкой) испускание протонов наблюдалось от изомера в кобальте-53 еще в 1969 году, никаких других испускающих протоны состояний не было обнаружено до 1981 года, когда основные радиоактивные протонные состояния лютеция-151 и тулия-147 наблюдались в экспериментах GSI в Западной Германии. ^[16]После этого прорыва исследования в этой области процветали, и на сегодняшний день было обнаружено, что более 25 нуклидов проявляют испускание протонов. Изучение протонной эмиссии помогло понять ядерную деформацию, массы и структуру, и это пример квантового туннелирования .

Двумя примерами нуклидов, испускающих нейтроны, являются бериллий-13 (средняя продолжительность жизни2,7 × 10 ⁻²¹  с ) и гелий-5 (7 × 10 ⁻²²  с ). Поскольку в этом процессе теряется только нейтрон, атом не набирает и не теряет протоны, и поэтому он не становится атомом другого элемента. Вместо этого атом станет новым изотопом исходного элемента, например, бериллий-13 станет бериллием-12 после испускания одного из своих нейтронов. ^[17]

В области ядерной энергетики , мгновенных нейтронов является нейтрон сразу испускаемый ядерного деления события. Мгновенные нейтроны возникают при делении нестабильного делящегося или делящегося тяжелого ядра почти мгновенно. В том же контексте может происходить замедленный распад нейтрона , испускаемый после бета-распада одного из продуктов деления . Замедленный распад нейтрона может происходить временами от нескольких миллисекунд до нескольких минут. ^[18] Комиссия по ядерному регулированию США определяет быстрый нейтрон как нейтрон, возникающий при делении в пределах 10 ⁻¹⁴секунд. ^[19]

Остров стабильности [ править ]

Остров стабильности - это область за пределами долины стабильности, где предсказано, что набор тяжелых изотопов с почти магическим числом протонов и нейтронов локально изменит тенденцию к снижению стабильности в элементах тяжелее урана . Гипотеза острова стабильности основана на модели ядерных оболочек , которая подразумевает, что атомное ядро построено в «оболочках» аналогично структуре гораздо более крупных электронных оболочек в атомах. В обоих случаях оболочки - это просто группы квантовых уровней энергии.которые относительно близки друг к другу. Уровни энергии из квантовых состояний в двух разных оболочках будут разделены относительно большой энергетической щелью. Таким образом, когда количество нейтронов и протонов полностью заполняет уровни энергии данной оболочки в ядре, энергия связи на нуклон достигает локального максимума, и, таким образом, эта конкретная конфигурация будет иметь более продолжительное время жизни, чем соседние изотопы, не имеющие заполненных оболочек. . ^[20]

Заполненная оболочка будет иметь « магические числа » нейтронов и протонов. Одно возможное магическое число нейтронов для сферических ядер - 184, а некоторые возможные совпадающие числа протонов - 114, 120 и 126. Эти конфигурации подразумевают, что наиболее стабильными сферическими изотопами будут флеровий- 298, унбинилий- 304 и унбигексий -310. Особо следует отметить ²⁹⁸ Fl, который был бы « вдвойне магическим » (и его протонное число 114, и нейтронное число 184 считаются магическими). Эта дважды магическая конфигурация, скорее всего, будет иметь очень длительный период полураспада. Следующее более легкое дважды магическое сферическое ядро ​​- свинцовое.-208, самое тяжелое из известных стабильных ядер и самый стабильный тяжелый металл.

Обсуждение [ править ]

Долина стабильности может быть полезна для интерпретации и понимания свойств процессов ядерного распада, таких как цепочки распада и деление ядер .

Радиоактивный распад часто происходит через последовательность шагов, известную как цепочка распада. Например, 238 U распадается до ²³⁴ Th, который распадается до ^{234 м} Па и так далее, в конечном итоге достигая 206 Pb :

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.5\times 10^{9}\ {\ce {y}}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}}}{\ce {->[\beta ^{-}][1\ {\ce {min}}]}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.4\times 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.7\times 10^{4}\ {\ce {y}}]}}\\{\ce {^{226}_{88}Ra->[\alpha ][1600\ y]{^{222}_{86}Rn}->[\alpha ][3.8\ {\ce {d}}]{^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3\ {\ce {min}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][27\ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][20\ {\ce {min}}]}}\\{\ce {^{214}_{84}Po->[\alpha ][164\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22\ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}->[\alpha ][138\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\\{}\end{array}}}$

На каждом этапе этой последовательности реакций высвобождается энергия, и продукты распада движутся дальше по долине стабильности к линии бета-стабильности. ²⁰⁶ Pb стабилен и находится на границе бета-стабильности.

В деления процессы , которые происходят в пределах ядерных реакторов сопровождаются выделением нейтронов , которые поддерживают в цепной реакции . Деление происходит, когда тяжелый нуклид, такой как уран-235, поглощает нейтрон и распадается на более легкие компоненты, такие как барий или криптон , обычно с выделением дополнительных нейтронов. Как и все нуклиды с высоким атомным номером, этим ядрам урана требуется много нейтронов для поддержания их стабильности, поэтому они имеют большое нейтронно-протонное отношение ( N / Z ). Ядра, образовавшиеся в результате деления ( продукты деления ), наследуют аналогичный N / Z, но их атомные номера примерно вдвое меньше, чем у урана. ^[1] Изотопы с атомным номером продуктов деления и N / Z, близким к таковому у урана или других делящихся ядер, содержат слишком много нейтронов, чтобы быть стабильными; этот избыток нейтронов поэтому несколько свободных нейтронов , но нет свободных протонов не обычно излучаются в процессе деления, и это также , почему многие ядра продуктов деления пройти длинную цепь беты ^- распады, каждый из которых преобразует ядро N / Z в ( Н - 1) / ( Z + 1), где N и Z - соответственно числа нейтронов и протонов, содержащихся в ядре.

Когда реакции деления поддерживаются с заданной скоростью, например, в ядерном реакторе с жидкостным охлаждением или твердотопливном ядерном реакторе, ядерное топливо в системе производит множество антинейтрино для каждого произошедшего деления. Эта антинейтрино приходит от распада продуктов деления , что, так как их ядер прогресса вниз в р ^- распад цепь в направлении долины стабильности, испускать антинейтрино вместе с каждым р ^- частицы. В 1956 году Райнес и Коуэн использовали (ожидаемый) интенсивный поток антинейтрино из ядерного реактора в проекте эксперимента по обнаружению и подтверждению существования этих неуловимых частиц. ^[21]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Живая диаграмма нуклидов - МАГАТЭ с фильтром по типу распада
• Долина стабильности (видео) - виртуальный «полет» через трехмерное представление карты нуклидов, CEA (Франция)
• Ядерный ландшафт: разнообразие и изобилие ядер - Глава 6 книги « Ядро: путешествие в самое сердце материи » Макинтоша, Ай-Халили, Джонсона и Пены описывает долину стабильности и ее последствия (Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press), 2001. ISBN 0-801 8-6860-2.