Долина стабильности - Valley of stability

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. 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 . Линия стабильных нуклидов в центре долины стабильности известна как линия бета-стабильности . Стороны долины соответствуют возрастающей нестабильности к бета-распаду - 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 внутри долины 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.

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

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

Описание

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, стабильные нуклиды определяются как те, у которых период полураспада превышает 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
6
C
14
7
N
+
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.

Концепция долины стабильности - это способ организации всех нуклидов в соответствии с энергией связи как функцией числа нейтронов и протонов. Большинство стабильных нуклидов имеют примерно равное количество протонов и нейтронов, поэтому линия, для которой Z = N, образует грубую начальную линию, определяющую стабильные нуклиды. Чем больше число протонов, нейтронов , тем больше требуется , чтобы стабилизировать нуклид, однако, таким образом нуклиды с большими значениями для Z требуется еще большее число 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 обладают высокой энергией 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 цепочками распада, которые последовательно уносят образующиеся нуклиды по склонам долины стабильности. Последовательность распадов приводит нуклиды к большей энергии связи, и нуклиды, завершающие цепь, стабильны. 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.

Роль нейтронов

Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро, ведут себя внутри ядра почти одинаково. Приблизительная симметрия изоспина рассматривает эти частицы как идентичные, но в другом квантовом состоянии. Однако эта симметрия является лишь приблизительной, а ядерная сила , связывающая нуклоны вместе, является сложной функцией, зависящей от типа нуклона, спинового состояния, электрического заряда, импульса и т. Д. И с вкладом от нецентральных 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 дейтерий , связанное состояние протона (p) и нейтрона (n) является стабильным, экзотические нуклиды, такие как дипротон или динейтрон, не связаны. Ядерное взаимодействие недостаточно велико, чтобы образовывать pp- или nn-связанные состояния, или, что то же самое, ядерное взаимодействие не формирует достаточно глубокую потенциальную яму, чтобы связать эти идентичные нуклоны.

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, следовательно, 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.  Например, стабильный нуклид 206 Pb имеет Z  = 82 и N = 124. По этой причине долина стабильности не следует за линией Z  =  N для A больше 40 ( Z  = 20 - элемент кальций ). 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

Масса атомного ядра определяется выражением

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

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.

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 .

Отрицательная энергия связи на нуклон для стабильных нуклидов, расположенных на дне долины стабильности. Железо-56 - один из самых стабильных нуклидов, и это примерно самая низкая точка в долине стабильности.

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. Эти нуклиды лежат на самом дне долины стабильности. Отсюда средняя энергия связи, приходящаяся на нуклон, медленно уменьшается с увеличением массового атомного числа. Тяжелый нуклид 238 U нестабилен, но медленно распадается с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет. Он имеет относительно небольшую энергию связи на нуклон.

Для β - распада ядерные реакции имеют общий вид

А
Я
Икс
А
Я +1
ИКС'
+
е -
+
ν
е

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
Я
Икс
A
Z −1
ИКС'
+
е +
+
ν
е

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.

Отрицательная энергия связи на нуклон для нуклидов с атомным массовым числом 125, построенная как функция атомного номера. Профиль энергии связи через долину стабильности представляет собой примерно параболу. Теллур- 52 ( 52 Te) стабилен, а сурьма -51 ( 51 Sb) нестабильна к β- распаду.

На рисунке справа показана средняя энергия связи на нуклон в долине стабильности для нуклидов с массовым числом A  = 125. Внизу этой кривой показан стабильный теллур ( 52 Те). Нуклиды слева от 52 Те нестабильны при избытке нейтронов, а нуклиды справа нестабильны 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 сдвигает нуклид влево и в сторону большей стабильности.

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

А
Я
Икс
А- 4
Я -2
ИКС'
+ 4
2
Он

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

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. 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 жизни 2,7 × 10 −21   с ) и гелий-5 ( 7 × 10 −22  с ). Поскольку в этом процессе теряется только нейтрон, атом не получает 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.

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. Комиссия по ядерному регулированию США определяет быстрый нейтрон как нейтрон, возникающий в результате деления в течение 10 -14 секунд.

Остров стабильности

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. .

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. Следующим более легким дважды магическим сферическим ядром является свинец- 208, самое тяжелое из известных стабильных ядер и самый стабильный тяжелый металл.

Обсуждение

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

Серия урана-238 представляет собой серию α (N и Z меньше 2) и β- распадов (N меньше 1, Z плюс 1) до нуклидов, которые последовательно углубляются в долину стабильности. Серия заканчивается свинцом-206, стабильным нуклидом на дне долины стабильности.

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 :

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.

Ядерное деление с ядром урана-235

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, образующиеся в результате деления ( продукты деления ), наследуют аналогичный N / Z , но их атомные номера примерно вдвое меньше, чем у урана. Изотопы с атомным номером продуктов деления и N / Z, близким к таковому у урана или других делящихся ядер, имеют 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.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка