Протонная радиоактивность. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Протонная радиоактивность - испускание протона при спонтанном распаде ядра. Возможные механизмы: 1) эмиссия запаздывающих протонов (ЗП) возбуждёнными дочерними ядрами, образовавшимися в результате бета-распада ядер

или электронного
захвата (при этом энергия

-распада больше энергии связи протона

в дочернем ядре, рис. 1); 2) протонный распад изомеров, происходящий, если энергия возбуждения изомера превышает

(см. Изомерия ядерная); 3)протонный распад ядра из основного состояния, аналогичный альфа-распаду; 4) пересыщенные протонами ядра, чётные по Z, за счёт спаривания протонов могут оказаться нестабильными относительно испускания двух протонов одновременно.

Рис. 1. Схема распада ядра с испусканием запаздывающего протона; (N, Z)- исходное ядро; (N+l; Z - 1) - промежуточное ядро; (N + 1, Z-2)-ядро, образовавшееся в результате испускания протона;

- энергия протонов; слева - распределение вылетающих протонов по энергии.

1. Излучатели ЗП открыты в ОИЯИ (Дубна) при облучении Ni ускоренным пучком ²⁰Ne (1962) и практически одновременно наблюдались для лёгких ядер (Монреаль). К 1991 открыто более 100 излучателей, самый лёгкий из к-рых ⁹С (период полураспада

= 0,13 с), самый тяжёлый ^l83Hg (

= 8,8 с). Величина T_1/2 лежит в пределах от 8,9·10^-3 с (¹³О) до 70 с (⁹⁴Rh). Она определяется периодом b-распада исходного ядра, т. к. распад протоино-нестабильных состояний промежуточного ядра происходит за времена

с.

Рис. 2. Спектр запаздывающих протонов

= 34%).

= 0,17 с,

Рис. 3. Зависимость силовой функции b⁺-перехода для ¹⁰⁹Те от энергии протона (для перехода к энергии возбуждения к следует добавить

1 МэВ).

Вероятность W_р испускания ЗП достигает десятков % для лёгких элементов и уменьшается с ростом Z.

Исследование излучателей ЗП даёт информацию о свойствах ядер, удалённых от долины стабильности: об энергиях, спинах, изоспинах возбуждённых состояний, о ширинах и плотностях уровней, о характеристиках b-распада с большой энергией, а также о дефектах масс. Для излучателей с Z

25 возможно спектроскопич. изучение уровней промежуточного ядра. Напр., в протонном спектре ³³Аr (рис. 2) (

=0,174 с, W_p = 34%) наиб, интенсивный пик (

= = 3,27 МэВ) обязан распаду возбуждённого состояния (Т = 3/2) ядра ³³С1 - изобарного аналога ³³Аr. Точное измерение вероятности перехода в аналоговое состояние позволяет определить его "чистоту" по изоспину. Это определено для ¹⁷Ne, ²⁹S, ³³Ar, ⁴⁴Ti.

Для более тяжёлых ядер (Z > 25) спектр ЗП описывается соотношением

где f - статистич. фактор b-распада. S_b - силовая функция (ср. квадрат матричного элемента перехода, отнесённый к единичному интервалу энергии возбуждения), Г_р/Г - относит. протонная ширина. Фактор f падает с ростом

а Гр/Г растёт с

в силу увеличения прозрачности ку-лоновского барьера для протонов. Это приводит к "ко-локолообразной" структуре спектра ЗП (рис. 1, слева). Анализ спектров ЗП используют для определения S_b. Для этого эксперим. спектр сравнивают с расчётным в предположении S_b-const (рис. 3). Граничная энергия спектра ЗП определяется разностью масс исходного и конечного ядер. Т. к. существующие теории описания ядерных масс согласуются с экспериментом вблизи области стабильности и расходятся при удалении от неё, то определение энергий распада удалённых ядер ценно для проверки этих моделей.

Полные ширины Г протон-но-нестабильных состояний находят по спектру квантов характеристического рентг. излучения в совпадении с ЗП. При К-захвате электрона ядром в К-оболочке образуется вакансия. Энергия испускаемого рентг. кванта зависит от того, когда произошёл вылет протона: до заполнения электронной вакансии или после. Отношение интенсивностей этих квантов будет определяться отношением времён жизни вакансии

и протонно-нестабильного состояния промежуточного ядра

. Рассчитав

и зная вид рентг. спектра (в совпадениях с ЗП), находят т и, следовательно, полную ширину

. Диапазон измеренных

с.

Рис. 4. Энергетические спектры, содержащие 6 протонных линий, связанных с распадом из основного состояния. Для выделения протонных излучателей использовался сепаратор ядер отдачи на пучке ускорителя тяжёлых ионов (Дармштадт).

Флуктуации интенсивности в спектре ЗП связаны с флуктуациями матричных элементов b-перехода и протонного распада. Для анализа этих флуктуации развита статистич. модель, к-рая позволяет определить плотность уровней промежуточного ядра. Эта информация важна, т. к. относится к области удалённых ядер и к диапазону энергий возбуждения 3-8 МэВ.

2. Протонно-активный изомер ^53mСо (пока единственный), полученный в реакции ⁵⁴Fe(p, 2n), с периодом полураспада

= 247 мс испускает протон с

= = 1.59 МэВ (W_p = 1,5%). Время жизни относительно испускания протона

где Р; - прозрачность барьера для протона с орбитальным мо-ментом l,

- приведённая ширина. При р-распаде ^53mСо происходит изменение волновой функции ядра, что приводит к уменьшению вероятности распада изомера, т. е. к увеличению времени его жизни.

3. Протонный распад из основного состояния возможен для более нейтронно-дефицитных ядер, чем эмиссия ЗП. Из-за эффекта спаривания протонов он оказывается возможным сначала у нечётных ядер. Для регистрации r необходимо условие

где

задаётся конкуренцией со стороны b-распада

0,1-1 с), а

- быстродействием измерит. методики. Интервал

растёт с Z, что делает предпочтительным поиск П. р. в области Z > 50.

Впервые слабая протонная активность с

= 0,83 b 0,05 МэВ и

= (1,4 b 0,8)с наблюдалась при облучении ⁹⁶Ru пучком ³²S (ОИЯИ, 1972). Она была объяснена распадом ¹²¹Рг из основного состояния [реакция ⁹⁶Ru(³²S, r, 6n)¹²¹Pr]. В 1981 С. Хофман (S. Hofmann) и др. (ФРГ) в реакции ⁹⁶Ru (⁵⁸Ni, r, 2n) получили ядра ¹⁵¹Lu. к-рые с периодом

= (85 b 10) мс испускают протоны с

= 1,23 МэВ. Сечение этой реакции в 700 раз больше, т. к. из-за использования пучка ⁵⁸Ni необходимый нейтронный дефицит достигается за счёт испарения только трёх нуклонов. В дальнейшем с помощью пучков ⁵⁸Ni открыто ещё 5 нуклидов, испытывающих распад из основного состояния (рис. 4). Время жизни определяется туннелированием протонов сквозь ку-лоновский и центробежный барьеры. Длина туннели-рования для

1 МэВ составляет примерно 80 Фм.

4. При ещё более значительном нейтронном дефиците для чётных по Z ядер за счёт спаривания протонов теоретически возможен вылет протонной пары (при устойчивости ядра к испусканию одного протона). Пока это явление не обнаружено, однако открыта т. н. бе-та-задержанная двухпротонная радиоактивность трёх излучателей на пучке ³Не: ²²Аl (0,07 с), ²⁶Р (0,02 с), ⁸⁵Са (0,05 с). Эти ядра испытывают т. н. сверхразре-шённый b-распад, после чего происходит последовательное испускание двух протонов.

Литература по протонной радиоактивности

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.