Radioaktywność klastra

Rozpad klaster (zwany również radioaktywności cząstki ciężkie lub radioaktywne ciężkich jonów ) jest typu (rzadki) rozpadu promieniotwórczego, w którym jądro macierzystej z nukleony i protony Z emitowania „  klaster  ” (ogółem jądrowy) N e neutronów i Z e protony cięższe niż cząstka alfa , ale lżejsze niż typowy fragment rozszczepienia binarnego. Z powodu utraty protonów z jądra macierzystego, jądro potomne ma liczbę masową A f = A - A e oraz liczbę atomową Z f = Z - Z e, gdzie A e = N e + Z e . Emitowana cząstka jest izotopem pierwiastka o A e > 4, takiego jak węgiel , tlen , neon , magnez , krzem ...

Rozgałęzienia relacji względem alfa rozpadu

jest raczej niska (patrz tabela poniżej). T a i T c to okres półtrwania macierzystego jądra odpowiednio w odniesieniu do rozpadu alfa i radioaktywności klastra.

Radioaktywność klastrów, podobnie jak rozpad alfa, jest procesem tunelowania  ; aby zostać wyemitowanym, klaster musi pokonać potencjalną barierę .

Teoretycznie każde jądro z Z> 40, dla którego uwolniona energia Q jest wielkością dodatnią, może być emiterem klastra. W praktyce obserwacje są poważnie ograniczone do ograniczeń narzuconych przez obecne techniki eksperymentalne, które wymagają wystarczająco krótkiego czasu życia, T c <10 32 s i dość dużego współczynnika rozgałęzień B> 10-17 .

Przy braku utraty energii odkształcenia fragmentu i energii wzbudzenia, jak w przypadku rozszczepienia na zimno lub rozpadu alfa , całkowita energia kinetyczna jest równa wartości Q podzielonej między cząstki odwrotnie proporcjonalnie do ich mas. pęd

gdzie A f jest liczbą masową jądra potomnego A f = A - A e .

Radioaktywność klastra jest procesem pośrednim między rozpadem alfa (z jądrem emitującym 4 He) a spontanicznym rozszczepieniem , w którym ciężkie jądro rozszczepia się na dwa fragmenty i kilka neutronów. Spontaniczne rozszczepienie prowadzi do probabilistycznego rozkładu fragmentów, co odróżnia je od emisji klastrów światła. W przypadku emisji ciężkich klastrów nie ma jakościowej różnicy między radioaktywnością klastra a spontanicznym zimnym rozszczepieniem.

Historyczny

Pierwsze informacje o jądra atomowego otrzymano na początku XX p  wieku przez badanie promieniotwórczości. Przez długi czas znane były tylko trzy rodzaje trybów rozpadu jądrowego ( alfa , beta i gamma ). Ilustrują trzy podstawowe interakcje natury: silne , słabe i elektromagnetyczne . Spontaniczne rozszczepienie stał się popularny wkrótce po jego odkrycia w 1940 roku przez Konstantina Petrzhak  (IN) i Gieorgij Florow powodu zastosowań militarnych i pokojowych indukowanych neutronów rozszczepienia odkryte w 1939 roku przez Otto Hahna , Lise Meitner i Fritz Strassmann , znacznie ilość energii jest uwalniany podczas proces.

Istnieje wiele innych rodzajów radioaktywności, np. Radioaktywność klastrowa, rozpad protonów i dwóch protonów, różne tryby rozpadu z opóźnieniem beta (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), rozszczepienie izomeryczne, rozszczepienie połączone z emisją cząstek (rozszczepienie trójskładnikowe) itp. Wysokość potencjalnej bariery dla emisji cząstek naładowanych, głównie o charakterze elektrostatycznym, jest znacznie większa niż energia kinetyczna emitowanych cząstek. Spontaniczny rozpad można wytłumaczyć jedynie efektem tunelu w sposób podobny do pierwszego zastosowania mechaniki kwantowej do jąder dokonanego przez G. Gamowa do rozpadu alfa.

"W 1980 r. A. Sandulescu, DN Poenaru i W. Greiner opisali obliczenia wskazujące na możliwość nowego typu rozpadu ciężkiego jądra pośredniego między rozpadem alfa a spontanicznym rozszczepieniem. Pierwsza obserwacja radioaktywności w ciężkich jonach dotyczyła węgla-14 emisja 30 MeV przez 223 Ra przez HJ Rose i GA Jones w 1984 ” .

Zwykle teoria wyjaśnia zjawisko już zaobserwowane eksperymentalnie. Radioaktywność klastrów jest jednym z nielicznych przykładów zjawisk przewidywanych przed odkryciem eksperymentalnym. Teoretyczne przewidywania poczyniono w 1980 roku, cztery lata przed eksperymentalnym odkryciem. Zastosowano cztery podejścia teoretyczne:

Modele superasymetrycznego rozszczepienia oparte są na metodzie makroskopowo-mikroskopowej wykorzystującej poziomy energii dwuośrodkowego modelu warstwowego jako dane wejściowe do obliczenia korekt warstw i par. Do obliczenia makroskopowej energii odkształcenia wykorzystano model kropli cieczy lub rozszerzony model wykładniczy Yukawa plus dla różnych stosunków ładunku do masy. Teoria przenikalności przewidywała osiem trybów rozpadu: 14 C, 24 Ne, 28 Mg, 32,34 Si, 46 Ar i 48,50 Ca 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 jądro 14 C na każdy miliard cząstek α.

Teoria

Efekt tunelowania kwantowego można obliczyć, rozszerzając teorię rozszczepienia na większą asymetrię masy lub przez teorię rozpadu alfa zastosowaną do cięższych jonów.

Oba podejścia są w stanie wyrazić stałą zaniku jako iloczyn trzech wielkości zależnych od modelu

gdzie ν to częstotliwość ataków na barierę na sekundę, S to prawdopodobieństwo preformacji klastra na powierzchni jądra, a P s to penetracja zewnętrznej bariery. W teorii alfa S jest całką pokrywającą funkcji falowych partnerów. W teorii rozszczepienia prawdopodobieństwo preformacji to przenikalność wewnętrznej części bariery. Bardzo często jest obliczany przy użyciu przybliżenia Wentzela-Kramersa-Brillouina (BKW).

Bardzo duża liczba, rzędu 10 5 , emitowanych kombinacji rodzic-klastra zostały uwzględnione w systematycznym poszukiwaniu nowych sposobów rozkładu. Dużą liczbę obliczeń można przeprowadzić w rozsądnym czasie, korzystając z modelu ASAF opracowanego przez Dorina N. Poenaru , Waltera Greinera i in. Model został użyty po raz pierwszy do przewidywania mierzalnych ilości radioaktywności klastrów. Przewidywano ponad 150 trybów rozpadu, zanim opublikowano inne rodzaje obliczeń okresu półtrwania. Opublikowano tabele okresów półtrwania , współczynnika rozgałęzień i energii kinetycznej, takie jak. Formy potencjalnych barier zbliżone do rozważanych w modelu ASAF obliczono metodą makromikroskopową.

Wcześniej wykazano, że nawet rozpad alfa można uznać za szczególny przypadek rozszczepienia na zimno. Model ASAF można wykorzystać do ujednolicenia opisu rozpadu alfa, radioaktywności klastra i zimnego rozszczepienia.

Przy dobrym przybliżeniu możemy uzyskać uniwersalną krzywą (UNIV) dla dowolnego trybu rozpadu klastra o liczbie masowej A e , w tym rozpadu alfa

W skali logarytmicznej równanie T = f (log P s ) przedstawia pojedynczą linię prostą dla danego A e, którą można korzystnie zastosować do oszacowania okresu półtrwania.

Pojedyncza uniwersalna krzywa dla rozpadu alfa i trybów rozpadu klastra z różnymi wynikami A e wyrażonymi przez wyrażenie log T + log S = f (log P s ). Dane eksperymentalne dotyczące radioaktywności trójgrupowych klastrów parzystych, parzystych-nieparzystych i nieparzystych-parzystych jąder macierzystych są odtwarzane z porównywalną dokładnością za pomocą dwóch typów krzywych uniwersalnych, UNIV i UDL, otrzymanych przy użyciu teorii macierzy R .

Aby znaleźć uwolnioną energię

można wykorzystać zestawienie zmierzonych mas M, M f i M e jądra macierzystego, potomnego i wyemitowanego jądra; jest to prędkość światła . Nadmiar masy zamieniany jest na energię zgodnie ze wzorem Einsteina E = mc 2 .

Doświadczenie

Główna trudność doświadczalna w obserwowaniu radioaktywności klastrów wynika z potrzeby zidentyfikowania kilku rzadkich zdarzeń wśród ogromnej liczby cząstek alfa. Wielkościami wyznaczonymi eksperymentalnie są częściowy okres półtrwania T c oraz energia kinetyczna emitowanego klastra E k . Konieczne jest również zidentyfikowanie emitowanej cząstki.

Wykrywanie promieniowania opiera się na ich oddziaływaniach z materią, prowadzących głównie do jonizacji. Aby uzyskać 11 użytecznych zdarzeń za pomocą teleskopu półprzewodnikowego i konwencjonalnej elektroniki do identyfikacji jonów 14 C, eksperyment Rose i Jonesa trwał około sześciu miesięcy. Ze względu na stosunkowo niedawne odkrycie, ze względu na jego rzadkość, określano go mianem „  egzotycznej radioaktywności  ”.

W celu przezwyciężenia tej trudności zastosowano niewrażliwe na cząstki alfa półprzewodnikowe detektory śladów jądrowych (SSNTD) i spektrometry magnetyczne, w których cząstki alfa są odchylane przez silne pole magnetyczne. SSNTD są niedrogie, ale wymagają obróbki chemicznej i długiego skanowania mikroskopem, aby znaleźć niewielką liczbę śladów.

Kluczową rolę w eksperymentach z rozpadem klastra przeprowadzonych w Berkeley, Orsay, Dubna i Mediolanie odegrali P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti, A. Guglielmetti i ich współpracownicy.

Główny obszar 20 emiterów obserwowanych eksperymentalnie do 2010 r. Znajduje się powyżej Z = 86: 221 Fr, 221-224,226 Ra, 223,225 Ac, 228,230 Th, 231 Pa, 230,232-236 U, 236,238 Pu i 242 Cm.

Tylko górne limity wykryto w następujących przypadkach: spadek o 114 Ba przy emisji 12 C, emisja 15 N o 223 Ac, 18 O o 226 Th, 24,26 Ne o 232 Th i o 236 U, 28 Mg o 232.233.235 U, 30 Mg na 237 Np i 34 Si na 240 Pu i 241 Am.

Niektórzy emitenci klastrów należą do trzech naturalnych rodzin radioaktywności. Oczekuje się, że inne zostaną wytworzone w wyniku reakcji jądrowych. Jak dotąd (2013) nie zaobserwowano żadnego emitera nieparzystego.

Jedenaście trybów rozpadu z okresami półtrwania i stosunkami rozgałęzień do alfa przewidywanymi przez model ASAF zostało potwierdzonych eksperymentalnie: 14 C, 20 O, 23 F, 22,24-26 Ne, 28,30 Mg, 32,34 Si. przewidywane wartości. Widoczny jest bardzo silny efekt warstwy: najkrótszy czas życia uzyskuje się, gdy jądro potomne ma magiczną liczbę neutronów (N f = 126) i / lub protonów (Z f = 82). Obecnie wiadomo, że ponad 20 nuklidów wykazuje ten typ rozpadu radioaktywnego, emitując stosunkowo duże jądra z niezwykle zmniejszoną szybkością, „pomijając” w ten sposób pośrednie etapy prowadzące do stabilnych izotopów.

Różne znane emisje klastrów to:

Jądro macierzyste Syn rdzenia Klaster wydany Raport połączenia log T (s) Q (MeV)
114 Ba 102 Sn 12 C <3,4 × 10-5 > 4.10 18,985
221 Fr 207 Tl 14 C 8,14 x 10-13 14,52 31 290
221 Ra 207 Pb 14 C 1,15 x 10-12 13.39 32,394
222 Ra 208 Pb 14 C 3,7 x 10-10 11.01 33.049
223 Ra 209 Pb 14 C 8,9 x 10 −10 15.04 31,829
224 Ra 210 Pb 14 C 4,3 x 10 −11 15.86 30,535
223 Ac 209 Bi 14 C 3,2 x 10 −11 12,96 33.064
225 Ac 211 Bi 14 C 4,5 x 10 −12 17.28 30,476
226 Ra 212 Pb 14 C 3,2 x 10 −11 21.19 28.196
228 Th 208 Pb 20 O 1,13 x 10-13 20,72 44,723
230 Th 206 Hg 24 Do 5,6 x 10-13 24,61 57,758
231 Pa 208 Pb 23 F. 9,97 x 10 -15 26.02 51,844
207 Tl 24 Do 1,34 × 10 −11 22,88 60,408
232 U 208 Pb 24 Do 9,16 x 10 −12 20.40 62.309
204 Hg 28 Mg <1,18 × 10 −13 > 22,26 74,318
233 U 209 Pb 24 Do 7,2 x 10-13 24,84 60,484
208 Pb 25 Do 60,776
205 Hg 28 Mg <1,3 x 10 -15 > 27,59 74,224
234 U 206 Hg 28 Mg 1,38 x 10-13 25.14 74.108
210 Pb 24 Do 9,9 x 10 −14 25,88 58.825
208 Pb 26 Do 59,465
235 U 211 Pb 24 Do 8,06 x 10-12 27.42 57,361
210 Pb 25 Do 57.756
207 Hg 28 Mg <1,8 × 10-12 > 28.09 72.162
208 Hg 29 Mg 72,535
236 U 212 Pb 24 Do <9,2 × 10 −12 > 25,90 55.944
210 Pb 26 Do 56,753
208 Hg 28 Mg 2 × 10-13 27,58 70,560
206 Hg 30 Mg 72,299
236 Pu 208 Pb 28 Mg 2,7 x 10-14 21,52 79,668
237 Np 207 Tl 30 Mg <1,8 × 10-14 > 27,57 74,814
238 Pu 206 Hg 32 Jeśli 1,38 x 10-16 25,27 91,188
210 Pb 28 Mg 5,62 × 10-17 25,70 75,910
208 Pb 30 Mg 76,822
240 Pu 206 Hg 34 Jeśli <6 X 10 -15 > 25,52 91.026
241 Am 207 Tl 34 Jeśli <7,4 × 10-16 > 25,26 93,923
242 cm 208 Pb 34 Jeśli 1 x 10-16 23.15 96,508

„?”: do potwierdzenia / uzupełnienia ((nie) istnienie 178 Er wydaje się rozmyte).

Drobna struktura

Drobna struktura od 14 ° C emitowane przez 223 RA po omówieniu M. Greiner i W. Scheid w 1986. Od 1984 SOLENO nadprzewodzące spektrometru z IPN Orsay została użyta do identyfikacji 14 C klastra emitowanego przez 222-224,226 Ra . Ponadto SOLENO wykorzystano do odkrycia drobnej struktury poprzez obserwację przejść do stanów wzbudzonych jądra potomnego.

Eksperymentatorzy zaobserwowali przejście do pierwszego stanu wzbudzonego jądra potomnego, który był silniejszy niż ten do stanu podstawowego. Przejście jest preferowane, jeśli odsprzężony nukleon pozostaje w tym samym stanie co jądro ojcowskie i potomne. W przeciwnym razie różnica w strukturze jądrowej obu stanów prowadzi do wielkiej przeszkody.

Interpretacja została potwierdzona: główna sferyczna składowa funkcji falowej zdeformowanego jądra macierzystego ma charakter i 11/2 , czyli główna składowa jest sferyczna.

Bibliografia

  1. DN Poenaru i W. Greiner , Cluster Radioactivity, Ch. 1 of Clusters in Nuclei I.Note Lecture Notes in Physics 818 , C. Beck (Springer, Berlin),2011( przedruk  Springer, Berlin), 1–56  s. ( ISBN  978-3-642-13898-0 )
  2. Encyclopædia Britannica Online, http://www.britannica.com/EBchecked/topic/465998/
  3. Sandulescu, A., Poenaru, DN i Greiner W. , „  Nowy typ rozpadu ciężkich jąder pośrednich między rozszczepieniem a rozpadem alfa  ”, Sov. J. Part. Nucl. , vol.  11,1980, s.  528–5
  4. (w :) Rose, HJ i Jones, MD , „  A new kind of natural radioactivity  ” , Nature , vol.  307,19 stycznia 1984, s.  245–247 ( czytaj online )
  5. Strutinski, VM , „  Shell effects in jądrowa masa i odkształcenia energii  ”, Nucl. Fiz. A , tom.  95 N O  21967, s.  420–442 ( DOI  10.1016 / 0375-9474 (67) 90510-6 , Bibcode  1967NuPhA..95..420S )
  6. Maruhn, JA i Greiner, W. , „  The asymmetric two-center shell model  ”, Z. Phys. , vol.  251 n O  5,1972, s.  431–457 ( DOI  10.1007 / BF01391737 , Bibcode  1972ZPhy..251..431M )
  7. Gherghescu, RA , „  Deformed two center shell model  ”, Phys. Obrót silnika. C , tom.  67,2003, s.  014309 ( DOI  10.1103 / PhysRevC.67.014309 , Bibcode  2003PhRvC..67a4309G , arXiv  nucl-th / 0210064 )
  8. Myers, WD i Swiatecki, WJ , „  Nuclear masses and deformations  ”, Nucl. Fiz. A , tom.  81,1966, s.  1–60
  9. Krappe, HJ, Nix, JR i Sierk, AJ , „  Zunifikowany potencjał jądrowy dla elastycznego rozpraszania, syntezy, rozszczepienia i mas w stanie podstawowym  ”, Fiz. Obrót silnika. C , tom.  20 N O  3,1979, s.  992–1013 ( DOI  10.1103 / PhysRevC.20.992 , Bibcode  1979PhRvC..20..992K )
  10. DN Poenaru, DN, Ivascu, M. i Mazilu, D. , „  Folded Yukawa-plus-wykładniczy model PES dla jąder o różnych gęstościach ładunku  ”, Computer Phys. Komunikacja. , vol.  19 N O  21980, s.  205–214 ( DOI  10.1016 / 0010-4655 (80) 90051-X , Bibcode  1980CoPhC..19..205P )
  11. Blendowske, R., Fliessbach, T. i Walliser, H., w Nuclear Decay Modes , Institute of Physics Publishing, Bristol, 1996, 337–349  str. ( ISBN  0-7503-0338-7 )
  12. Poenaru, DN i Greiner W. , „  Cluster Preformation as Barrier Penetrability  ”, Physica Scripta , vol.  44 N O  5,1991, s.  427–429 ( DOI  10.1088 / 0031-8949 / 44/5/004 , Bibcode  1991PhyS ... 44..427P )
  13. Poenaru, DN, Ivascu, M., Sandulescu, A., Greiner, W. , „  Spontaneousission of heavy clusters  ”, J. Phys. G: Nucl. Fiz. , vol.  10 N O  8,1984, s.  L183 - L189 ( DOI  10.1088 / 0305-4616 / 10/8/004 , Bibcode  1984JPhG ... 10L.183P )
  14. Poenaru, DN, Schnabel, D., Greiner, W., Mazilu, D. and Gherghescu, R. , „  Nuclear Lifetimes for Cluster Radioactivities  ”, Atomic Data Nucl. Karta danych. , vol.  48 N O  21991, s.  231–327 ( DOI  10.1016 / 0092-640X (91) 90008-R , Bibcode  1991ADNDT..48..231P )
  15. Poenaru, DN, Gherghescu, RA i Greiner, W. , „  Potencjalne powierzchnie energii dla jąder emitujących skupiska  ”, Phys. Obrót silnika. C , tom.  73,2006, s.  014608 ( DOI  10.1103 / PhysRevC.73.014608 , Bibcode  2006PhRvC..73a4608P , arXiv  nucl-th / 0509073 )
  16. Poenaru, DN, Ivascu, M. i Sandulescu, A. , „  Alpha-decay as a fission-like process  ”, J. Phys. G: Nucl. Fiz. , vol.  5, n O  10,1979, s.  L169 - L173 ( DOI  10.1088 / 0305-4616 / 5/10/005 , Bibcode  1979JPhG .... 5L.169P )
  17. Rysunek 6.7, strona 287 DN Poenaru i W. Greiner , Cluster Radioactivity, Ch. 1 of Clusters in Nuclei I.Note Lecture Notes in Physics 818 , C. Beck (Springer, Berlin),2011( przedruk  Springer, Berlin), 1–56  s. ( ISBN  978-3-642-13898-0 )
  18. Poenaru, DN, Gherghescu, RA i Greiner, W. , „  Pojedyncza uniwersalna krzywa radioaktywności klastra i rozpadu alfa  ”, Phys. Obrót silnika. C , tom.  83,2011, s.  014601 ( DOI  10.1103 / PhysRevC.83.014601 , Bibcode  2011PhRvC..83a4601P )
  19. Qi, C., Xu, FR, Liotta, RJ i Wyss, R , „  Universal Decay Law in Charged-Particle Emission and Exotic Cluster Radioactivity  ”, Phys. Obrót silnika. Łotysz. , vol.  103 n O  7,2009, s.  072501 ( PMID  19792636 , DOI  10.1103 / PhysRevLett.103.072501 , Bibcode  2009PhRvL.103g2501Q , arXiv  0909.4492 )
  20. Wang, M., Audi, G., Wapstra, AH, Kondev, FG, MacCormick, M., Xu, X. and Pfeiffer, B. , „  The AME2012 atomic mass assessment (II) Tables, graphs and reference  ”, Chińska Fizyka, C , t.  36,2012, s.  1603–2014
  21. Baum, EM et al., Nuclides and Isotopes: Chart of the nuklides 16th ed. , Laboratorium Energii Atomowej Knolls (Lockheed Martin),2002
  22. Bonetti, R. i Guglielmetti, A. , „  Cluster radioactivity: an overview after 20 years  ”, Rom. Reprezentant. Fiz. , vol.  59,2007, s.  301–310
  23. Guglielmetti, A. i in. , „  Radioaktywność węgla 223 Ac i poszukiwanie emisji azotu  ”, J. Phys.: Conf. Seria , t.  111,2008, s.  012050 ( DOI  10.1088 / 1742-6596 / 111/1/012050 , Bibcode  2008JPhCS.111a2050G )
  24. Greiner, M. i Scheid, W. , „  Radioactive decay into excited states poprzez emisję ciężkich jonów  ”, J. Phys. G: Nucl. Fiz. , vol.  12 N O  10,1986, s.  L229 - L234 ( DOI  10.1088 / 0305-4616 / 12/10/003 , Bibcode  1986JPhG ... 12L.229G )
  25. Brillard, L., Elayi, AG, Hourani, E., Hussonnois, M., Le Du, JF Rosier, LH and Stab, L. , „  Demonstration of a fine structure in 14 C radioactivity  ”, CR Acad. Sci. Paryż , t.  309,1989, s.  1105–1110
  26. Hourany, E. i in. , „  223 Ra Nuclear Spectroscopy in 14 C Radioactivity  ”, Phys. Obrót silnika. , vol.  52,1995, s.  267–270
  27. Sheline, RK i Ragnarsson, I. , „  Interpretation of the fine structure in the 14 C radioactive decay of 223 Ra  ”, Phys. Obrót silnika. C , tom.  43, n o  3,1991, s.  1476–1479 ( DOI  10.1103 / PhysRevC.43.1476 , Bibcode  1991PhRvC..43.1476S )

Linki zewnętrzne

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">