Rozpad klastra - Cluster decay

Rozpad klasterowy , zwany także radioaktywnością ciężkich cząstek lub radioaktywnością ciężkich jonów , jest rzadkim typem rozpadu jądrowego, w którym jądro atomowe emituje małą „gromadę” neutronów i protonów , więcej niż w cząstce alfa , ale mniej niż typowe rozszczepienie binarne fragment . Rozszczepienie trójskładnikowe na trzy fragmenty również wytwarza produkty w rozmiarze klastra. Utrata protonów z jądra macierzystego zmienia go w jądro innego pierwiastka, potomnego, o liczbie masowej A d = AA e i liczbie atomowej Z d = ZZ e , gdzie A e = N e + Z e . Na przykład:

223
88
Ra
14
6
do
+ 209
82
Pb

Ten rodzaj rzadkiego sposobu rozpadu zaobserwowano w radioizotopach, które rozpadają się głównie w wyniku emisji alfa i występuje tylko w niewielkim procencie rozpadów dla wszystkich takich izotopów.

Rozgałęzienia stosunek względem alfa rozkładu jest niewielka (patrz tabela poniżej).

T a i T c to okresy półtrwania macierzystego jądra odpowiednio względem rozpadu alfa i radioaktywności klastra.

Rozpad klastra, podobnie jak rozpad alfa, jest procesem tunelowania kwantowego: aby zostać wyemitowany, klaster musi przebić się przez potencjalną barierę. Jest to inny proces niż bardziej losowy rozpad jądrowy poprzedzający emisję fragmentów światła w rozszczepieniu trójskładnikowym , który może być wynikiem reakcji jądrowej , ale może być również rodzajem spontanicznego rozpadu promieniotwórczego niektórych nuklidów, co pokazuje, że energia wejściowa nie jest koniecznie potrzebne do rozszczepienia, które pozostaje zasadniczo innym procesem pod względem mechanicznym.

Teoretycznie każde jądro o Z > 40, dla którego uwolniona energia (wartość Q) jest wielkością dodatnią, może być emiterem klastrów. W praktyce obserwacje są mocno ograniczone do ograniczeń narzuconych przez obecnie dostępne techniki eksperymentalne, które wymagają wystarczająco krótkiego okresu półtrwania Tc < 10 32 s i wystarczająco dużego stosunku rozgałęzień B > 10-17 .

W przypadku braku jakiejkolwiek utraty energii na deformację i wzbudzenie fragmentów, jak w przypadku rozszczepienia na zimno lub rozpadu alfa, całkowita energia kinetyczna jest równa wartości Q i jest dzielona między cząstki w odwrotnej proporcji do ich mas, zgodnie z wymogami zachowanie pędu liniowego

gdzie A d jest liczbą masową córki, A d = AA e .

Rozpad klasterowy występuje w pozycji pośredniej między rozpadem alfa (w którym jądro wypluwa jądro 4 He ) a spontanicznym rozszczepieniem , w którym ciężkie jądro dzieli się na dwa (lub więcej) duże fragmenty i określoną liczbę neutronów. Spontaniczne rozszczepienie kończy się probabilistycznym rozkładem produktów pochodnych, co odróżnia je od rozpadu klastra. W rozpadzie klastrowym dla danego radioizotopu emitowana cząstka jest lekkim jądrem, a metoda rozpadu zawsze emituje tę samą cząstkę. W przypadku klastrów o większej emisji nie ma praktycznie żadnej jakościowej różnicy między rozpadem klastra a spontanicznym rozszczepieniem na zimno.

Historia

Pierwsze informacje o jądrze atomowym uzyskano na początku XX wieku, badając radioaktywność. Przez długi czas znane były tylko trzy rodzaje trybów rozpadu jądrowego ( alfa , beta i gamma ). Ilustrują trzy podstawowe oddziaływania w przyrodzie: silne , słabe i elektromagnetyczne . Spontaniczne rozszczepienie zostało lepiej zbadane wkrótce po jego odkryciu w 1940 roku przez Konstantina Petrzhaka i Georgy Flyorova, zarówno ze względu na militarne, jak i pokojowe zastosowanie indukowanego rozszczepienia. Zostało to odkryte około 1939 roku przez Otto Hahna , Lise Meitner i Fritza Strassmanna .

Istnieje wiele innych rodzajów promieniotwórczości, np. rozpad klasterowy, emisja protonów , różne tryby rozpadu opóźnionego beta (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), izomery rozszczepienia , towarzyszące cząsteczkom rozszczepienie (trójskładnikowe) itp. Wysokość bariery potencjału, głównie o charakterze kulombowskim, dla emisji naładowanych cząstek jest znacznie wyższa niż obserwowana energia kinetyczna emitowanych cząstek. Spontaniczny rozpad można wytłumaczyć jedynie tunelowaniem kwantowym w sposób podobny do pierwszego zastosowania mechaniki kwantowej do jąder podanych przez G. Gamowa dla rozpadu alfa.

„W 1980 r. A. Sandulescu, DN Poenaru i W. Greiner opisali obliczenia wskazujące na możliwość nowego typu rozpadu ciężkich jąder pośrednich między rozpadem alfa a spontanicznym rozszczepieniem. Pierwszą obserwacją radioaktywności ciężkich jonów była obserwacja 30- MeV, emisja węgla-14 z radu-223 przez HJ Rose i GA Jones w 1984" .

Zwykle teoria wyjaśnia już zaobserwowane eksperymentalnie zjawisko. Rozpad gromad jest jednym z rzadkich przykładów zjawisk przewidywanych przed odkryciem eksperymentalnym. Teoretyczne przewidywania zostały wykonane w 1980 roku, cztery lata przed odkryciem eksperymentalnym.

Zastosowano cztery podejścia teoretyczne: teorię fragmentacji poprzez rozwiązanie równania Schrödingera z asymetrią masy jako zmienną w celu uzyskania rozkładów masy fragmentów; obliczenia penetracji podobne do tych stosowanych w tradycyjnej teorii rozpadu alfa i superasymetrycznych modeli rozszczepienia, numerycznego (NuSAF) i analitycznego (ASAF). Superasymetryczne modele rozszczepienia opierają się na podejściu makroskopowo-mikroskopowym wykorzystującym asymetryczne energie poziomu dwuśrodkowego modelu powłoki jako dane wejściowe dla powłoki i poprawki parowania. Do obliczenia makroskopowej energii deformacji wykorzystano model kropli cieczy lub model Yukawa-plus-eksponencjalny rozszerzony o różne stosunki ładunku do masy.

Teoria penetracji przewidywała osiem trybów rozpadu: 14 C, 24 Ne, 28 Mg, 32,34 Si, 46 Ar i 48,50 Ca z następujących jąder macierzystych: 222,224 Ra, 230,232 Th, 236,238 U, 244 246 Pu, 248 250 Cm, 250 252 Cf, 252 254 Fm i 252 254 nr.

Pierwszy raport eksperymentalny został opublikowany w 1984 roku, kiedy fizycy z Uniwersytetu Oksfordzkiego odkryli, że 223 Ra emituje jedno jądro 14 C na każdy miliard (10 9 ) rozpadów wywołanych emisją alfa.

Teoria

Tunelowanie kwantowe można obliczyć albo rozszerzając teorię rozszczepienia na większą asymetrię masy, albo przez cięższą emitowaną cząstkę z teorii rozpadu alfa .

Zarówno podejścia rozszczepialne, jak i alfa-podobne są w stanie wyrazić stałą rozpadu = ln 2 / T c , jako iloczyn trzech wielkości zależnych od modelu

gdzie jest częstotliwością ataków na barierę na sekundę, S jest prawdopodobieństwem wystąpienia skupiska na powierzchni jądrowej, a P s jest przenikalnością zewnętrznej bariery. W teoriach alfa-podobnych S jest całką nakładania się funkcji falowej trzech partnerów (rodzica, córki i gromady emitowanej). W teorii rozszczepienia prawdopodobieństwo preformacji jest penetracją wewnętrznej części bariery od początkowego punktu zwrotnego R i do punktu styku R t . Bardzo często oblicza się ją przy użyciu przybliżenia Wentzela-Kramersa-Brillouina (WKB).

Bardzo duża ilość, rzędu 10 5 , dominujących emitowane kombinacji klastrów zostały uznane systematyczne poszukiwanie nowych sposobów rozpadu . Duża liczba obliczeń może być wykonana w rozsądnym czasie przy użyciu modelu ASAF opracowanego przez Dorina N Poenaru , Waltera Greinera i in. Model był pierwszym, który został wykorzystany do przewidywania mierzalnych wielkości rozpadu klastra. Przewidywano ponad 150 trybów rozpadu klastra, zanim zgłoszono jakiekolwiek inne obliczenia okresów półtrwania. Obszerne tabele okresów połowicznego rozpadu , stosunków rozgałęzień i energii kinetycznych zostały opublikowane m.in. Potencjalne kształty barier podobne do rozważanych w modelu ASAF zostały obliczone przy użyciu metody makroskopowo-mikroskopowej.

Wcześniej wykazano, że nawet rozpad alfa może być uważany za szczególny przypadek rozszczepienia na zimno . Model ASAF może być użyty do opisania w jednolity sposób zimnego rozpadu alfa, rozpadu klastra i rozszczepienia na zimno (patrz rysunek 6.7, s. 287 w pracy [2]).

Z dobrym przybliżeniem można otrzymać jedną krzywą uniwersalną (UNIV) dla dowolnego trybu rozpadu klastra o liczbie masowej Ae, w tym rozpadu alfa

W skali logarytmicznej równania log T = f (log P e ) stanowi jedną linię prostą, która może być dogodnie stosowany w celu oszacowania okresu półtrwania. Pojedyncza krzywa uniwersalna dla trybów zaniku alfa i zaniku skupień wynika z wyrażenia log T + log S = f(log P s ). Dane eksperymentalne dotyczące rozpadu klastra w trzech grupach jąder macierzystych parzyste-parzyste, parzyste-nieparzyste i nieparzyste-parzyste są odtwarzane z porównywalną dokładnością za pomocą obu typów krzywych uniwersalnych, typu rozszczepialnego UNIV i UDL, uzyskanych przy użyciu macierzy R typu alfa teoria.

Aby znaleźć uwolnioną energię

można użyć zestawienia zmierzonych mas M, M d i M e macierzystego, potomnego i emitowanego jądra, c jest prędkością światła. Nadmiar masy jest przekształcany w energię zgodnie ze wzorem Einsteina E = mc 2 .

Eksperymenty

Główna trudność doświadczalna w obserwowaniu rozpadu gromady wynika z potrzeby zidentyfikowania kilku rzadkich zdarzeń na tle cząstek alfa. Wielkościami wyznaczonymi doświadczalnie są częściowy okres półtrwania T c , oraz energia kinetyczna emitowanego klastra E k . Istnieje również potrzeba identyfikacji emitowanej cząstki.

Detekcja promieniowania opiera się na ich oddziaływaniach z materią, prowadzących głównie do jonizacji. Używając teleskopu półprzewodnikowego i konwencjonalnej elektroniki do identyfikacji jonów 14 C, eksperyment Rose'a i Jonesa trwał około sześciu miesięcy, aby uzyskać 11 użytecznych zdarzeń.

W przypadku nowoczesnych spektrometrów magnetycznych (SOLENO i Enge-split pole), w Narodowym Laboratorium Orsay i Argonne (patrz rozdz. 7 w Ref. [2] s. 188–204), można było zastosować bardzo silne źródło, tak aby uzyskać wyniki w ciągu kilku godzin.

Aby przezwyciężyć tę trudność, zastosowano półprzewodnikowe detektory toru jądrowego (SSNTD) niewrażliwe na cząstki alfa oraz spektrometry magnetyczne, w których cząstki alfa są odchylane przez silne pole magnetyczne. SSNTD są tanie i poręczne, ale wymagają trawienia chemicznego i skanowania pod mikroskopem.

Kluczową rolę w eksperymentach nad trybami rozpadu klastra przeprowadzonych w Berkeley, Orsay, Dubnej i Mediolanie odegrali P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti i ich współpracownicy.

Główny obszar 20 emiterów obserwowanych doświadczalnie do 2010 r. znajduje się powyżej Z=86: 221 Fr, 221-224,226 Ra, 223225 Ac, 228230 Th, 231 Pa, 230,232-236 U, 236,238 Pu i 242 Cm. Jedynie górne granice można było wykryć w następujących przypadkach: rozpad 12 C przy 114 Ba, 15 N przy 223 Ac, 18 O przy 226 Th, 24,26 Ne przy 232 Th i 236 U, 28 Mg przy 232 233 235 U, rozpad 30 Mg przy 237 Np i rozpad 34 Si przy 240 Pu i 241 Am.

Niektóre emitery klastrów należą do trzech naturalnych rodzin promieniotwórczych. Inne powinny powstawać w wyniku reakcji jądrowych. Do tej pory nie zaobserwowano nieparzystego emitera.

Z wielu trybów rozpadu z okresami półtrwania i współczynnikami rozgałęzień w stosunku do rozpadu alfa przewidywanego za pomocą analitycznego modelu superasymetrycznego rozszczepienia (ASAF), następujące 11 zostało eksperymentalnie potwierdzone: 14 C, 20 O, 23 F, 22 , 24-26 Ne, 28,30 Mg i 32,34 Si. Dane eksperymentalne są zgodne z przewidywanymi wartościami. Silny efekt powłoki można zauważyć: w zasadzie najkrótszej wartość okresu półtrwania jest uzyskiwane, gdy pierścień ma córki magiczną liczby neutronów (N d = 126) i / lub (Z protony d = 82).

Znane emisje klastrów od 2010 r. są następujące:

Izotop Emitowana cząstka Stosunek rozgałęzień dziennik T(ów) Q (MeV)
114 Ba 12 stopni < 3,4 x 10 -5 > 4,10 18,985
221 Fr 14 stopni 8,14 x 10 -13 14.52 31.290
221 Ra 14 stopni 1,15 x 10 -12 13.39 32,394
222 Ra 14 stopni 3,7 × 10 -10 11.01 33,049
223 Ra 14 stopni 8,9 × 10 -10 15.04 31,829
224 Ra 14 stopni 4,3 x 10 -11 15,86 30,535
223 Ac 14 stopni 3,2 x 10 -11 12,96 33,064
225 AC 14 stopni 4,5 x 10 -12 17.28 30,476
226 Ra 14 stopni 3,2 x 10 -11 21.19 28.196
228 Ty 20 O 1,13 x 10 -13 20,72 44,723
230 Th 24 Ne 5,6 x 10 -13 24,61 57,758
231 Pa 23 F 9,97 x 10 -15 26.02 51.844
24 Ne 1,34 x 10 -11 22.88 60,408
232 U 24 Ne 9,16 x 10 -12 20,40 62,309
28 Mg < 1,18 x 10 -13 > 22.26 74,318
233 U 24 Ne 7,2 x 10 -13 24,84 60,484
25 Ne 60,776
28 Mg <1,3 × 10 -15 > 27,59 74.224
234 U 28 Mg 1,38 x 10 -13 25.14 74.108
24 Ne 9,9 x 10 -14 25,88 58.825
26 Ne 59,465
235 jednostek 24 Ne 8,06 x 10 -12 27.42 57,361
25 Ne 57,756
28 Mg < 1,8 x 10 -12 > 28.09 72,162
29 Mg 72.535
236 U 24 Ne < 9,2 x 10 -12 > 25,90 55.944
26 Ne 56,753
28 Mg 2 x 10 -13 27.58 70,560
30 Mg 72,299
236 Pu 28 Mg 2,7 x 10 -14 21,52 79,668
237 Np 30 Mg < 1,8 x 10 -14 > 27,57 74.814
238 Pu 32 Si 1,38 x 10 -16 25,27 91.188
28 Mg 5,62 x 10 -17 25,70 75,910
30 Mg 76,822
240 pu 34 Si < 6 × 10 -15 > 25,52 91.026
241 rano 34 Si < 7,4 x 10 -16 > 25,26 93,923
242 cm 34 Si 1 x 10 -16 23.15 96,508

Dobra struktura

Struktura subtelna w promieniotwórczości 14 C przy 223 Ra została po raz pierwszy omówiona przez M. Greinera i W. Scheida w 1986 roku. Nadprzewodnikowy spektrometr SOLENO firmy IPN Orsay jest używany od 1984 roku do identyfikacji klastrów 14 C emitowanych z 222-224,226 Ra jądra. Ponadto wykorzystano ją do odkrycia struktury subtelnej, obserwując przejścia do stanów wzbudzonych córki. Przejście ze stanem wzbudzonym 14 C przewidywane w ref. jeszcze nie zaobserwowano.

Co zaskakujące, eksperymentatorzy zaobserwowali silniejsze przejście do pierwszego wzbudzonego stanu córki niż do stanu podstawowego. Przejściu sprzyja pozostawienie niesprzężonego nukleonu w tym samym stanie zarówno w jądrze macierzystym, jak i potomnym. W przeciwnym razie różnica w strukturze jądrowej prowadzi do dużej przeszkody.

Interpretacja została potwierdzona: główna składowa sferyczna odkształconej macierzystej funkcji falowej ma charakter i 11/2 , czyli główna składowa jest sferyczna.

Bibliografia

Linki zewnętrzne