Распад кластера - Cluster decay

Распад кластера , 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 . 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.

Коэффициент ветвления по отношению к альфа-распаду довольно невелик (см. Таблицу ниже).

{\ displaystyle B = T_ {a} / T_ {c}}

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: для того, чтобы испустить кластер, он должен преодолеть потенциальный барьер. Это другой процесс, чем более случайный ядерный распад, 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 .

В отсутствие 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

{\ displaystyle E_ {k} = QA_ {d} / A}

где A _d - массовое число дочери, A _d = A - A _e .

Распад кластера занимает промежуточное положение 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

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 открыто примерно в 1939 году Отто Ганом , Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманном .

Есть много других видов радиоактивности, например распад кластера, испускание протона , различные режимы бета-запаздывающего 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 выше 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, показывающие возможность нового типа распада тяжелых ядер, промежуточных между альфа-распадом и спонтанным делением. МэВ, эмиссия углерода-14 из радия-223, сделанная Г. Дж. Роузом и Г. А. Джонсом в 1984 г. " .

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, за четыре года до экспериментального открытия.

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, использующем энергии уровней асимметричной двухцентровой оболочечной модели в качестве входных данных для оболочечных и парных поправок. Для расчета макроскопической энергии деформации использовалась либо модель жидкой капли, либо модель Юкавы плюс экспоненциальная, расширенная на различные отношения заряда к массе.

Теория проницаемости предсказала восемь мод распада: ¹⁴ C, ²⁴ Ne, ²⁸ Mg, ^32,34 Si, ⁴⁶ Ar и ^48,50 Ca из 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

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 .

И деление, и альфа-подобные подходы могут выразить константу распада = ln 2 / T _c как произведение трех зависящих от модели величин ${\ displaystyle \ lambda}$

{\ displaystyle \ lambda = \ nu SP_ {s}}

где - частота атак на барьер в секунду, S - вероятность преформирования 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 . Очень часто он рассчитывается с использованием приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ). ${\ displaystyle \ nu}$

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. Были опубликованы исчерпывающие таблицы периодов полураспада , коэффициентов ветвления и кинетической энергии, например. Возможные формы барьеров, аналогичные рассмотренным в модели ASAF, были рассчитаны с помощью макроскопического микроскопа.

Ранее было показано, что даже альфа-распад можно рассматривать как частный случай холодного деления . Модель ASAF может быть использована для унифицированного 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

{\ displaystyle \ log T = - \ log P_ {s} -22,169 + 0,598 (A_ {e} -1)}

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 ). Экспериментальные данные по кластерному распаду в трех группах четно-четных, четно-нечетных и нечетно-четных родительских ядер воспроизводятся со сравнимой точностью с помощью обоих типов универсальных кривых, подобных делению UNIV и UDL, полученных с использованием альфа-подобной R-матрицы. теория.

Чтобы найти высвободившуюся энергию

{\ Displaystyle Q = [M- (M_ {d} + M_ {e})] c ^ {2}}

можно использовать компиляцию измеренных масс 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

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 Аргонна (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. Буфорд Прайс, Эйд Урани, Мишель Юссоннуа, Светлана Третьякова, А.А. Оглоблин, Роберто Бонетти и их сотрудники.

Основная область из 20 эмиттеров, 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 могут 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 ^{232 233 235} U, 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 достигается, 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:

Изотоп	Испускаемая частица	Коэффициент разветвления	журнал T (с)	Q (МэВ)
¹¹⁴ Ba	¹² С	< 3,4 × 10 ⁻⁵	> 4,10	18,985
²²¹ пт	¹⁴ С	8,14 × 10 ⁻¹³	14,52	31,290
²²¹ Ra	¹⁴ С	1,15 × 10 ⁻¹²	13,39	32,394
²²² Ra	¹⁴ С	3,7 × 10 ⁻¹⁰	11.01	33,049
²²³ Ra	¹⁴ С	8,9 × 10 ⁻¹⁰	15.04	31 829
²²⁴ Ra	¹⁴ С	4,3 × 10 ⁻¹¹	15,86	30,535
²²³ Ас	¹⁴ С	3,2 × 10 ⁻¹¹	12,96	33,064
²²⁵ АС	¹⁴ С	4,5 × 10 ⁻¹²	17,28	30,476
²²⁶ Ra	¹⁴ С	3,2 × 10 ⁻¹¹	21,19	28,196
²²⁸ Чт	²⁰ O	1,13 × 10 ⁻¹³	20,72	44,723
²³⁰ Чт	²⁴ Ne	5,6 × 10 ⁻¹³	24,61	57,758
²³¹ Па	²³ F	9,97 × 10 ⁻¹⁵	26.02	51 844
	²⁴ Ne	1,34 × 10 ⁻¹¹	22,88	60,408
²³² U	²⁴ Ne	9,16 × 10 ⁻¹²	20,40	62,309
	²⁸ мг	< 1,18 × 10 ⁻¹³	> 22,26	74,318
²³³ U	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 U	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 U	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 U	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 Pu	²⁸ мг	2,7 × 10 ⁻¹⁴	21,52	79,668
²³⁷ нп	³⁰ мг	< 1,8 × 10 ⁻¹⁴	> 27,57	74,814
²³⁸ Pu	³² Si	1,38 × 10 ⁻¹⁶	25,27	91 188
	²⁸ мг	5,62 × 10 ⁻¹⁷	25,70	75,910
	³⁰ мг			76 822
²⁴⁰ Pu	³⁴ Si	< 6 × 10 ⁻¹⁵	> 25,52	91,026
²⁴¹ утра	³⁴ Si	< 7,4 × 10 ⁻¹⁶	> 25,26	93,923
²⁴² см	³⁴ Si	1 × 10 ⁻¹⁶	23.15	96,508

Тонкая структура

Тонкая структура ¹⁴ C-радиоактивности ²²³ Ra была впервые обсуждена М. Грейнером и W. Scheid в 1986 году. Сверхпроводящий спектрометр SOLENO от IPN Orsay использовался с 1984 года для идентификации кластеров ¹⁴ C, испускаемых из ^222-224,226 Ra. ядра. Более того, с его помощью была обнаружена тонкая структура, наблюдая переходы в возбужденные состояния дочернего элемента. Переход с возбужденным состоянием ¹⁴ C, предсказанный в [5]. 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 приведет к большим затруднениям.

Интерпретация подтвердилась: основная сферическая составляющая деформированной родительской волновой функции имеет характер i _11/2 , т.е. основная составляющая сферическая.

Внешние ссылки

Национальный центр ядерных данных

Languages

In other projects