Кластерлік ыдырау: Ядродан бөлшектер шығуы

Кіріспе

Атом ядросы нейтрондар мен протондардың шағын кластерін шығаратын ядролық ыдырау. Кластерлік ыдырау, сондай-ақ ауыр бөлшектердің радиоактивтілігі, ауыр иондардың радиоактивтілігі немесе ауыр кластерлік ыдырау деп аталады – бұл ядролық ыдыраудың сирек түрі, онда атом ядросы нейтрондар мен протондардың шағын "кластерін" шығарады, бұл кластер альфа бөлшегінен ірі, бірақ ерекше екілік бөліну фрагментінен кіші болады. Үш фрагментке бөліну кезінде кластерлік мөлшердегі өнімдер де пайда болады. Бастапқы ядродан протонның жоғалтылуы оны басқа элементтің ядросына айналдырады – қызы, оның массалық саны Ad = A − Ae және атомдық нөмірі Zd = Z − Ze, мұндағы Ae = Ne + Ze. Мысалы: Радий-223 → Көміртек-14 + Қорғасын-209. Бұл сирек ыдырау түрі негізінен альфа-эмиссия арқылы ыдырайтын радиоизотоптарда байқалды және барлық осындай изотоптар үшін ыдыраулардың шағын пайызында ғана кездеседі. Альфа ыдырауға қатысты тармақталу коэффициенті өте төмен (төмендегі кестеге қараңыз). Ta және Tc – аталық ядроның альфа ыдырауына және кластерлік радиоактивтілікке қатысты жартылай өмір шамалары. Кластерлік ыдырау, альфа ыдырау сияқты, кванттық туннельдеу процесі болып табылады: кластер шығарылу үшін әлеуеттік кедергіні жеңіп өтуі керек. Бұл, ядролық реакцияның нәтижесі болуы мүмкін, бірақ кейбір нуклидтерде спонтанды радиоактивті ыдыраудың түрі де болуы мүмкін, бұл кездейсоқ ядролық ыдыраудан, ядролық ыдырауға дейін ерекшеленеді, және энергияның ыдырау үшін міндетті түрде қажет емес екенін көрсетеді, бұл механикалық тұрғыдан түбегейлі өзгеше процесс. Фрагменттердің деформациясы мен қозуына байланысты энергия жоғалту болмаған жағдайда, мысалы, суық ыдырау құбылысында немесе альфа ыдырауда, жалпы кинетикалық энергия Q мәніне тең болады және бөлшектер арасында олардың массаларына кері пропорционалды түрде бөлінеді, бұл сызықтық импульстің сақталу заңымен сәйкес келеді. Мұнда Ad – қызының массалық саны, Ad = A − Ae. Кластерлік ыдырау альфа ыдырауы (ядро 4He ядросын шығарады) мен спонтанды ыдырау арасындағы аралық жағдайда орналасқан, онда ауыр ядро екі (немесе одан да көп) ірі фрагменттерге және әртүрлі нейтрондарға бөлінеді. Спонтанды ыдырау қызының өнімдерінің ықтималдық таралуымен аяқталады, бұл оны кластерлік ыдыраудан ерекшелендіреді. Белгілі бір радиоизотоптың кластерлік ыдырауында шығарылатын бөлшек – жеңіл ядро, ал ыдырау әдісі әрқашан осы бір бөлшекті шығарады. Ірі кластерлер үшін кластерлік ыдырау мен спонтанды суық ыдырау арасында ешқандай сапалық айырмашылық жоқ.

Nuclear decay in which an atomic nucleus emits a small cluster of neutrons and protons

Cluster decay, also named heavy particle radioactivity, heavy ion radioactivity or heavy cluster decay, is a rare type of nuclear decay in which an atomic nucleus emits a small "cluster" of neutrons and protons, more than in an alpha particle, but less than a typical binary fission fragment. Ternary fission into three fragments also produces products in the cluster size. The loss of protons from the parent nucleus changes it to the nucleus of a different element, the daughter, with a mass number Ad = A − Ae and atomic number Zd = Z − Ze, where Ae = Ne + Ze. For example:
Radium 223 → Carbon 14 + Lead 209
This type of rare decay mode was observed in radioisotopes that decay predominantly by alpha emission, and it occurs only in a small percentage of the decays for all such isotopes. The branching ratio with respect to alpha decay is rather small (see the Table below). Ta and Tc are the half lives of the parent nucleus relative to alpha decay and cluster radioactivity, respectively. Cluster decay, like alpha decay, is a quantum tunneling process: in order to be emitted, the cluster must penetrate a potential barrier. This is a different process than the more random nuclear disintegration that precedes light fragment emission in ternary fission, which may be a result of a nuclear reaction, but can also be a type of spontaneous radioactive decay in certain nuclides, demonstrating that input energy is not necessarily needed for fission, which remains a fundamentally different process mechanistically. In the absence of any energy loss for fragment deformation and excitation, as in cold fission phenomena or in alpha decay, the total kinetic energy is equal to the Q value and is divided between the particles in inverse proportion with their masses, as required by conservation of linear momentum

where Ad is the mass number of the daughter, Ad = A − Ae. Cluster decay exists in an intermediate position between alpha decay (in which a nucleus spits out a 4He nucleus), and spontaneous fission, in which a heavy nucleus splits into two (or more) large fragments and an assorted number of neutrons. Spontaneous fission ends up with a probabilistic distribution of daughter products, which sets it apart from cluster decay. In cluster decay for a given radioisotope, the emitted particle is a light nucleus and the decay method always emits this same particle. For heavier emitted clusters, there is otherwise practically no qualitative difference between cluster decay and spontaneous cold fission.

Ұсақ құрылым

223Ra 14C радиоактивтілігінің ұсақ құрылымы туралы алғаш рет М. Грейнер мен В. Шейд 1986 жылы талқылаған. IPN Orsay-дің SOLENO жоғары өткізгіш спектрометрі 1984 жылдан бері 222–224,226Ra ядроларынан шығатын 14C кластерлерін анықтауға қолданылып келеді. Бұдан әрі, ол қызының қозған күйлеріне өтулерді байқау арқылы ұсақ құрылымды ашуға пайдаланылды. Сілтемеде болжалган 14C-ның қозған күйіндегі өту расталды: деформацияланған аналық толқын функциясының басты сфералық компоненті i11/2 сипатқа ие, яғни басты компонент сфералық.