Klaszterromlás - Cluster decay
Atomfizika |
---|
Nucleus · nukleonok ( p , n ) · maganyag · Magerő · Nukleáris szerkezete · Magreakció |
A klaszterbomlás , más néven nehéz részecske radioaktivitás vagy nehéz ion radioaktivitás , egy olyan ritka nukleáris bomlástípus, amelyben az atommag kis neutronok és protonok "halmazát" bocsátja ki , több mint egy alfa részecskében , de kevesebb, mint egy tipikus bináris hasadás töredék . A három részből álló háromharmados hasadás szintén klaszter méretű termékeket állít elő. A protonok elvesztése az anyamagból egy másik elem, a lány magjává változtatja, amelynek tömegszáma A d = A - A e és atomszám Z d = Z - Z e , ahol A e = N e + Z e . Például:
-
223
88Ra
→ 14
6C
+ 209
82Pb
Ezt a fajta ritka bomlási módot olyan radioizotópokban figyelték meg , amelyek túlnyomórészt alfa-emisszióval bomlanak le , és az összes ilyen izotóp bomlásának csak kis százalékában fordul elő.
Az elágazási arány az alfa-bomláshoz képest meglehetősen kicsi (lásd az alábbi táblázatot).
T egy és T c a felezési a szülő mag képest alfa-részecske és a klaszter radioaktivitást, ill.
A klaszterbomlás, az alfa-bomláshoz hasonlóan, kvantumcsatornázási folyamat: a kibocsátáshoz a klaszternek be kell hatolnia egy potenciális gáton. Ez más folyamat, mint a véletlenszerűbb magbontás, amely megelőzi a fényfragmens emisszióját a ternáris hasadásnál , amely lehet egy nukleáris reakció eredménye , de bizonyos nuklidokban spontán radioaktív bomlás is lehet , bizonyítva, hogy a bemenő energia nem feltétlenül szükséges a hasadáshoz, amely mechanikailag alapvetően más folyamat marad.
Elméletileg bármely olyan atom, amelynek Z > 40 értéke> 40, a felszabaduló energia (Q érték) pozitív mennyiség, klaszter-emitter lehet. A gyakorlatban a megfigyelések szigorúan korlátozódnak a jelenleg rendelkezésre álló kísérleti technikák által előírt korlátozásokra, amelyek kellően rövid felezési időt, T c <10 32 s, és kellően nagy elágazási arányt igényelnek B> 10-17 .
A töredék deformációjához és gerjesztéséhez szükséges energiaveszteség hiányában, mint a hideg hasadási jelenségeknél vagy az alfa-bomlásnál, az összes kinetikus energia megegyezik a Q-értékkel, és a részecskék között tömegükkel fordított arányban oszlik meg, amint azt a a lineáris impulzus megőrzése
ahol A d a lánya tömegszáma, A d = A - A e .
A klaszterbomlás az alfa-bomlás (amelyben egy mag kiköp egy 4 He- at ) és a spontán hasadás között van egy közbenső helyzetben , amelyben egy nehéz mag két (vagy több) nagy töredékre és válogatott számú neutronra oszlik. A spontán hasadás a leánytermékek valószínűségi eloszlásával végződik, ami megkülönbözteti a klaszter bomlásától. Egy adott radioizotóp klaszterbomlásakor a kibocsátott részecske egy könnyű mag, és a bomlási módszer mindig ugyanazt a részecskét bocsátja ki. A nehezebb kibocsátású klaszterek esetében egyébként gyakorlatilag nincs minőségi különbség a klaszter bomlása és a spontán hideg hasadás között.
Történelem
Az atommagról az első információt a 20. század elején kaptuk a radioaktivitás tanulmányozásával. Hosszú ideig csak háromféle nukleáris bomlási módot ismertek ( alfa , béta és gamma ). Három alapvető jellegű kölcsönhatást mutatnak be a természetben: erős , gyenge és elektromágneses . A spontán hasadást hamarosan jobban tanulmányozták, miután Konstantin Petrzhak és Georgy Flyorov 1940-ben felfedezte mind a katonai, mind a kiváltott hasadás békés alkalmazásának köszönhetően. Ezt 1939 körül fedezték fel Otto Hahn , Lise Meitner és Fritz Strassmann .
Sok más típusú radioaktivitás létezik, például klaszterbomlás, protonkibocsátás , különféle béta-késleltetett bomlási módok (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), hasadási izomerek , részecskék kíséretében (hármas) hasadás, stb. A feltöltött részecskék kibocsátásának potenciálisan gátló, főleg Coulomb jellegű gátjának magassága sokkal nagyobb, mint a kibocsátott részecskék megfigyelt kinetikus energiája. A spontán bomlás csak kvantumalagadással magyarázható, hasonló módon, mint a Gamant G. Gamow által az alfa-bomláshoz adott első kvantummechanika magokra történő alkalmazása.
- "1980-ban A. Sandulescu, DN Poenaru és W. Greiner olyan számításokat írtak le, amelyek jelzik az alfa-bomlás és a spontán hasadás között elterjedt nehéz magok újfajta bomlásának lehetőségét. A nehézion-radioaktivitás első megfigyelése egy 30- MeV, a rádium-223 szén-14-kibocsátása HJ Rose és GA Jones által 1984-ben " .
Az elmélet általában egy már kísérletileg megfigyelt jelenséget magyaráz. A klaszterromlás az egyik ritka példa a kísérleti felfedezés előtt megjósolt jelenségekre. Elméleti előrejelzéseket 1980-ban, négy évvel a kísérleti felfedezés előtt tettek.
Négy elméleti megközelítést alkalmaztak: a fragmentáció elméletét Schrödinger-egyenlet megoldásával tömeg-aszimmetriával, mint változóval a fragmentumok tömegeloszlásának megszerzéséhez; penetrációs számítások, amelyek hasonlóak az alfa-bomlás hagyományos elméletéhez, és a szuperszimmetrikus hasadási modellekhez, numerikus (NuSAF) és analitikai (ASAF). A szuperszimmetrikus hasadási modellek a makroszkopikus-mikroszkópos megközelítésen alapulnak, az aszimmetrikus kétközpontú héj modell szintű energiákat felhasználva a héj és a párosítás korrekcióinak bemeneti adataként. Vagy a folyadékcsepp modellt, vagy a Yukawa-plus-exponenciális modellt különböző töltés-tömeg arányokra kiterjesztve használták a makroszkopikus deformációs energia kiszámításához.
Átjárhatóság elmélete megjósolt nyolc bomlási módok: 14 C, 24 Ne, 28 Mg, 32,34 Si, 46 Ar, és 48,50 Ca a következő kiindulási atommagok: 222.224 Ra, 230.232 Th, 236.238 U, 244.246 Pu, 248.250 Cm, 250 252 Vö, 252 254 Fm és 252 254 Nem.
Az első kísérleti jelentést 1984-ben tették közzé, amikor az Oxfordi Egyetem fizikusai felfedezték, hogy a 223 Ra alfa-emisszió révén minden milliárd (10 9 ) bomlás között egy 14 C magot bocsát ki .
Elmélet
A kvantumalagút kiszámítható vagy a hasadási elmélet kiterjesztésével egy nagyobb tömeg-aszimmetriára, vagy az alfa-bomlás elméletéből nehezebben kibocsátott részecskékkel .
Mind a hasadási, mind az alfa-szerű megközelítések képesek kifejezni a bomlási állandót = ln 2 / T c , három modellfüggő mennyiség szorzataként
hol van a sorompó támadásainak gyakorisága másodpercenként, S a klaszter előformálási valószínűsége a mag felszínén, P s pedig a külső gát áthatolhatósága. Az alfa-szerű elméletekben az S a három partner (szülő, lánya és kibocsátott klaszter) hullámfüggvényének átfedő integrálja . Egy hasadási elméletben a kialakíthatjuk valószínűség az átjárhatóságát a belső része az akadály a kezdeti fordulópont R i , hogy az érintési pontját R t . Nagyon gyakran a Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) közelítés alkalmazásával számítják ki.
Az új bomlási módok szisztematikus keresése során nagyon sok, a 10 5 nagyságrendű szülő által kibocsátott klaszterkombinációt vettek figyelembe . A nagyszámú számítást ésszerű időn belül el lehetett végezni a Dorin N Poenaru , Walter Greiner és munkatársai által kifejlesztett ASAF modell alkalmazásával . A modellt használták elsőként a mérhető mennyiségek előrejelzésére a klaszter bomlásában. Több mint 150 klaszter bomlási módot jósoltak, mielőtt bármilyen más felezési idő-számítást jelentettek volna. A felezési időkről , az elágazási arányokról és a kinetikus energiákról átfogó táblázatokat tettek közzé, pl. Az ASAF modellben figyelembe vetthez hasonló potenciális gátalakokat makroszkopikus-mikroszkópos módszerrel számoltunk ki.
Korábban kimutatták, hogy még az alfa-bomlás is tekinthető a hideg hasadás sajátos esetének . Az ASAF modell felhasználható a hideg alfa-bomlás, a klaszterbomlás és a hideg hasadás egységes leírására (lásd a hivatkozás 6.7. Ábráját, 287. o.).
Jó közelítéssel kaphatunk egy univerzális görbét (UNIV) bármilyen típusú Ae tömegszámú klaszterbomlási módhoz, beleértve az alfa-bomlást is
Logaritmikus skálán a log T = f (log P s ) egyenlet egyetlen egyeneset jelent, amelyet kényelmesen fel lehet használni a felezési idő becslésére. A log T + log S = f (log P s ) kifejezésével egyetlen univerzális görbe eredményez alfa-bomlási és klaszterbomlási módokat . A klaszter bomlásának kísérleti adatait a páros, páros-páratlan és páratlan páros szülőmagok három csoportjában összehasonlítható pontossággal reprodukálják mindkét típusú univerzális görbe, a hasadásszerű UNIV és az alfa-szerű R-mátrix segítségével származtatott UDL elmélet.
A felszabadult energia megtalálása érdekében
fel lehet használni a szülő, lány és az emittált magok M, M d és M e tömegének összeállítását , c a fénysebesség. A tömegfelesleg energiává alakul az Einstein E = mc 2 képlete szerint .
Kísérletek
A klaszter bomlásának megfigyelésével kapcsolatos fő kísérleti nehézség abból adódik, hogy néhány ritka eseményt azonosítani kell az alfa részecskék hátterében. A mennyiségek kísérletileg meghatározott a részleges felezési idő, a T c , és a kinetikus energia a kibocsátott klaszter E k . Szükség van a kibocsátott részecske azonosítására is.
A sugárzás detektálása az anyaggal való kölcsönhatáson alapul, amely főleg ionizációhoz vezet. Félvezető teleszkóp és hagyományos elektronika segítségével a 14 C ionok azonosításához Rose és Jones kísérlete körülbelül hat hónapig tartott 11 hasznos esemény megszerzése érdekében.
Modern mágneses spektrométerekkel (SOLENO és Enge-split pole) Orsay és Argonne Nemzeti Laboratóriumban (lásd a 7. fejezetet a [Ref. [2] 188–204. Oldalakon]) nagyon erős forrást lehetett felhasználni, így eredmények születtek néhány óra leforgása alatt.
Az alfa részecskékre érzéketlen szilárdtest nukleáris detektorokat (SSNTD) és olyan mágneses spektrométereket használnak, amelyekben az alfa részecskéket erős mágneses tér tereli el. Az SSNTD olcsó és praktikus, de szükségük van kémiai maratásra és mikroszkóp szkennelésre.
Kulcsszerepet játszott a Berkeley, Orsay, Dubna és Milano területén végzett klaszterromlási módok kísérleteiben P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti és munkatársaik.
A fő régió 20 sugárzók kísérletileg megfigyelt 2010-ig a fenti Z = 86: 221 Fr, 221-224,226 Ra, 223.225 Ac, 228.230 Th, 231 Pa, 230,232-236 U, 236.238 Pu, és 242 cm-t. Csak a felső határértékeket lehetett kimutatni a következő esetekben: 12 C bomlása 114 Ba, 15 N bomlása 223 Ac, 18 O bomlása 226 Th, 24,26 Ne bomlik a 232 Th és 236 U, 28 Mg lebomlik a 232.233.235 U, 30 Mg bomlás 237 Np, és 34 Si bomlás 240 Pu és 241 Am.
A klaszter kibocsátók egy része a három természetes radioaktív család tagja. Másokat nukleáris reakciókkal kell előállítani. Eddig nem figyeltek meg páratlan-páratlan kibocsátót.
Az analitikai szuperaszimmetrikus hasadási (ASAF) modellel megjósolt sok felezési idejű és elágazási arányú bomlási mód közül az alfa-bomláshoz a következő 11-et kísérletileg megerősítették: 14 C, 20 O, 23 F, 22,24-26 Ne, 28,30 Mg és 32,34 Si. A kísérleti adatok jó összhangban vannak az előre jelzett értékekkel. Erős héjhatás látható: általában a felezési idő legrövidebb értéke akkor érhető el, ha a leánymagban mágikus számú neutron (N d = 126) és / vagy proton van (Z d = 82).
Az ismert klaszterkibocsátás 2010-től a következő:
Izotóp | Kibocsátott részecske | Elágazási arány | log T (s) | Q (MeV) |
---|---|---|---|---|
114 Ba | 12 C | < 3,4 × 10 −5 | > 4.10 | 18.985 |
221 Fr | 14 C | 8,14 × 10 −13 | 14.52 | 31.290 |
221 Ra | 14 C | 1,15 × 10 −12 | 13.39 | 32.394 |
222 Ra | 14 C | 3,7 × 10 −10 | 11.01 | 33.049 |
223 Ra | 14 C | 8,9 × 10 −10 | 15.04 | 31.829 |
224 Ra | 14 C | 4,3 × 10 −11 | 15.86 | 30.535 |
223 Ac | 14 C | 3,2 × 10 −11 | 12.96 | 33.064 |
225 Ac | 14 C | 4,5 × 10 −12 | 17.28 | 30.476 |
226 Ra | 14 C | 3,2 × 10 −11 | 21.19 | 28.196 |
228 Th | 20 O | 1,13 × 10 −13 | 20.72 | 44,723 |
230 Th | 24 Ne | 5,6 × 10 −13 | 24.61 | 57.758 |
231 Pa | 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 Mg | < 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 Mg | <1,3 × 10 −15 | > 27,59 | 74.224 | |
234 U | 28 Mg | 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 Mg | < 1,8 × 10 −12 | > 28.09 | 72.162 | |
29 Mg | 72.535 | |||
236 U | 24 Ne | < 9,2 × 10 −12 | > 25,90 | 55.944 |
26 Ne | 56.753 | |||
28 Mg | 2 × 10 −13 | 27.58 | 70.560 | |
30 mg | 72.299 | |||
236 Pu | 28 Mg | 2,7 × 10 −14 | 21.52 | 79.668 |
237 Np | 30 mg | < 1,8 × 10 −14 | > 27,57 | 74.814 |
238 Pu | 32 Si | 1,38 × 10 −16 | 25.27 | 91.188 |
28 Mg | 5,62 × 10 −17 | 25.70 | 75.910 | |
30 mg | 76.822 | |||
240 Pu | 34 Si | < 6 × 10 −15 | > 25,52 | 91.026 |
241 Am | 34 Si | < 7,4 × 10 −16 | > 25,26 | 93,923 |
242 Cm | 34 Si | 1 × 10 −16 | 23.15 | 96,508 |
Finom szerkezet
A 223 Ra 14 C-os radioaktivitásának finomszerkezetét M. Greiner és W. Scheid 1986-ban tárgyalta először. Az IPN Orsay SOLENO szupravezető spektrométerét 1984 óta használják a 222-224,226 Ra- ból kibocsátott 14 C-klaszterek azonosítására. magok. Sőt, arra használták, hogy felfedezzék a finom struktúrát, figyelemmel kísérve a lánya gerjesztett állapotaiba való átmenetet. 14 C gerjesztett állapotú átmenet a Ref. még nem figyelték meg.
Meglepő módon a kísérleti szakemberek a lánya első gerjesztett állapotához erősebb átmenetet láttak, mint az alapállapot. Az átmenet akkor előnyös, ha a nem kapcsolt nukleont ugyanabban az állapotban hagyják mind a szülő, mind a leány magban. Ellenkező esetben a nukleáris szerkezet különbsége nagy akadályhoz vezet.
Az értelmezés beigazolódott: a deformált szülőhullám-funkció fő gömbkomponense i 11/2 karakterű, vagyis a fő komponens gömb alakú.