Decaimiento del racimo

Desintegración nuclear en la que un núcleo atómico emite un pequeño grupo de neutrones y protones.

Física nuclear
Nucleus  · nucleones  ( p , n )  · la materia nuclear  · fuerza nuclear  · estructura Nuclear  · reacción Nuclear
Modelos del núcleo Liquid drop · Nuclear shell model · Interacting boson model · Ab initio
Clasificación de nucleidos Isotopes – equal Z Isobars – equal A Isotones – equal N Isodiaphers – equal N − Z      Isomers – equal all the above Mirror nuclei – Z ↔ N Stable · Magic · Even/odd · Halo (Borromean)
Estabilidad nuclear Binding energy · p–n ratio · Drip line · Island of stability · Valley of stability · Stable nuclide
Desintegración radioactiva Alpha α · Beta β (2β (0v), β+) · K/L capture · Isomeric (Gamma γ · Internal conversion) · Spontaneous fission · Cluster decay · Neutron emission · Proton emission Decay energy · Decay chain · Decay product · Radiogenic nuclide
Fisión nuclear Spontaneous · Products (pair breaking) · Photofission
Captura de procesos electron (2×) · neutron (s · r) · proton (p · rp)
Procesos de alta energía Spallation (by cosmic ray) · Photodisintegration
Nucleosíntesis y astrofísica nuclear Nuclear fusion Processes: Stellar · Big Bang · Supernova Nuclides: Primordial · Cosmogenic · Artificial
Física nuclear de alta energía Quark–gluon plasma · RHIC · LHC
Científicos Alvarez · Becquerel · Bethe · A. Bohr · N. Bohr · Chadwick · Cockcroft · Ir. Curie · Fr. Curie · Pi. Curie · Skłodowska-Curie · Davisson · Fermi · Hahn · Jensen · Lawrence · Mayer · Meitner · Oliphant · Oppenheimer · Proca · Purcell · Rabi · Rutherford · Soddy · Strassmann · Świątecki · Szilárd · Teller · Thomson · Walton · Wigner
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La desintegración de grupos , también denominada radiactividad de partículas pesadas o radiactividad de iones pesados , es un tipo raro de desintegración nuclear en la que un núcleo atómico emite un pequeño "grupo" de neutrones y protones , más que en una partícula alfa , pero menos que una fisión binaria típica. fragmento . La fisión ternaria en tres fragmentos también produce productos en el tamaño del racimo. La pérdida de protones del núcleo padre lo cambia al núcleo de un elemento diferente, el hijo, con un número de masa A _d = A - A _e y un número atómico Z _d = Z - Z _e , donde A _e = N _e + Z _e . ^[1] Por ejemplo:

²²³
₈₈Real academia de bellas artes
→ ¹⁴
₆C
+ ²⁰⁹
₈₂Pb

Este tipo de modo de desintegración poco común se observó en radioisótopos que se desintegran predominantemente por emisión alfa , y ocurre solo en un pequeño porcentaje de las desintegraciones de todos esos isótopos. ^[2]

La relación de ramificación con respecto a la desintegración alfa es bastante pequeña (consulte la tabla a continuación).

${\displaystyle B=T_{a}/T_{c}}$

T _a y T _c son las vidas medias del núcleo parental en relación con la desintegración alfa y la radiactividad del racimo, respectivamente.

La desintegración del racimo, como la desintegración alfa, es un proceso de tunelización cuántica: para ser emitido, el racimo debe atravesar una barrera potencial. Este es un proceso diferente a la desintegración nuclear más aleatoria que precede a la emisión de fragmentos de luz en la fisión ternaria , que puede ser el resultado de una reacción nuclear , pero también puede ser un tipo de desintegración radiactiva espontánea en ciertos nucleidos, lo que demuestra que la energía de entrada no es necesario para la fisión, que sigue siendo un proceso fundamentalmente diferente desde el punto de vista mecánico.

Teóricamente, cualquier núcleo con Z > 40 para el cual la energía liberada (valor Q) es una cantidad positiva, puede ser un emisor de racimo. En la práctica, las observaciones están severamente restringidas a las limitaciones impuestas por técnicas experimentales disponibles actualmente que requieren una suficientemente corta vida media, T _c <10 ³² s, y una relación de ramificación suficientemente grande B> 10 ^-17 .

En ausencia de cualquier pérdida de energía por deformación y excitación de fragmentos, como en los fenómenos de fisión fría o en la desintegración alfa, la energía cinética total es igual al valor Q y se divide entre las partículas en proporción inversa a sus masas, como lo requiere conservación del momento lineal

${\displaystyle E_{k}=QA_{d}/A}$

donde A _d es el número másico de la hija, A _d = A - A _e .

La desintegración del racimo existe en una posición intermedia entre la desintegración alfa (en la que un núcleo escupe un núcleo de 4 He ) y la fisión espontánea , en la que un núcleo pesado se divide en dos (o más) fragmentos grandes y una variedad de neutrones. La fisión espontánea termina con una distribución probabilística de productos hijos, lo que la distingue de la descomposición del racimo. En la desintegración de racimo para un radioisótopo dado, la partícula emitida es un núcleo ligero y el método de desintegración siempre emite esta misma partícula. Para los cúmulos emitidos más pesados, no existe prácticamente ninguna diferencia cualitativa entre la desintegración del cúmulo y la fisión fría espontánea.

Historia

La primera información sobre el núcleo atómico se obtuvo a principios del siglo XX mediante el estudio de la radiactividad. Durante un largo período de tiempo, solo se conocieron tres tipos de modos de desintegración nuclear ( alfa , beta y gamma ). Ilustran tres de las interacciones fundamentales en la naturaleza: fuerte , débil y electromagnética . La fisión espontánea se estudió mejor poco después de su descubrimiento en 1940 por Konstantin Petrzhak y Georgy Flyorov debido a las aplicaciones militares y pacíficas de la fisión inducida. Esto fue descubierto alrededor de 1939 por Otto Hahn ,Lise Meitner y Fritz Strassmann .

Hay muchos otros tipos de radiactividad, por ejemplo, desintegración de racimo, emisión de protones , varios modos de desintegración retardada beta (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), isómeros de fisión , partícula acompañada fisión (ternaria), etc. La altura de la barrera potencial, principalmente de naturaleza Coulomb, para la emisión de las partículas cargadas es mucho mayor que la energía cinética observada de las partículas emitidas. La desintegración espontánea solo puede explicarse mediante el túnel cuántico de una manera similar a la primera aplicación de la mecánica cuántica a los núcleos dada por G. Gamow para la desintegración alfa.

"En 1980 A. Sandulescu, DN Poenaru y W. Greiner describieron cálculos que indicaban la posibilidad de un nuevo tipo de desintegración de núcleos pesados ​​intermedios entre la desintegración alfa y la fisión espontánea. La primera observación de radiactividad de iones pesados ​​fue la de un 30- MeV, emisión de carbono 14 del radio 223 por HJ Rose y GA Jones en 1984 " .

^[3]

Por lo general, la teoría explica un fenómeno ya observado experimentalmente. La desintegración de los racimos es uno de los raros ejemplos de fenómenos predichos antes del descubrimiento experimental. Las predicciones teóricas se hicieron en 1980, ^[4] cuatro años antes del descubrimiento experimental. ^[5]

Se utilizaron cuatro enfoques teóricos: teoría de la fragmentación resolviendo una ecuación de Schrödinger con asimetría de masas como variable para obtener las distribuciones de masas de los fragmentos; cálculos de penetrabilidad similares a los utilizados en la teoría tradicional de desintegración alfa, y modelos de fisión superasimétricos, numéricos (NuSAF) y analíticos (ASAF). Los modelos de fisión superasimétricos se basan en el enfoque macroscópico-microscópico ^[6] utilizando el modelo de capa asimétrico de dos centros ^{[7] [8]} energías de nivel como datos de entrada para la capa y las correcciones de emparejamiento. O el modelo de gota de líquido ^[9] o el modelo Yukawa-plus-exponencial ^[10] extendido a diferentes relaciones de carga a masa ^[11]se han utilizado para calcular la energía de deformación macroscópica.

La teoría de la penetrabilidad predijo ocho modos de desintegración: ¹⁴ C, ²⁴ Ne, ²⁸ Mg, ^32,34 Si, ⁴⁶ Ar y ^48,50 Ca de los siguientes núcleos parentales: ^222,224 Ra, ^230,232 Th, ^236,238 U, ^244,246 Pu, ^248,250 Cm, ^250,252 Cf, ^252,254 Fm y ^252,254 No.

El primer informe experimental se publicó en 1984, cuando físicos de la Universidad de Oxford descubrieron que 223 Ra emite un núcleo de ¹⁴ C entre cada mil millones (10 ⁹ ) de desintegraciones por emisión alfa.

Teoría

El túnel cuántico se puede calcular extendiendo la teoría de la fisión a una asimetría de masa más grande o mediante una partícula emitida más pesada de la teoría de la desintegración alfa . ^[12]

Tanto los enfoques de fisión como los de tipo alfa pueden expresar la constante de desintegración ${\displaystyle \lambda }$= ln 2 / T _c , como producto de tres cantidades dependientes del modelo

${\displaystyle \lambda =\nu SP_{s}}$

donde ${\displaystyle \nu }$es la frecuencia de asaltos a la barrera por segundo, S es la probabilidad de preformación del cúmulo en la superficie nuclear y P _s es la penetrabilidad de la barrera externa. En las teorías de tipo alfa, S es una integral superpuesta de la función de onda de los tres socios (padre, hija y grupo emitido). En una teoría de fisión, la probabilidad de preformación es la penetrabilidad de la parte interna de la barrera desde el punto de inflexión inicial R _i hasta el punto de contacto R _t . ^{[13] Con} mucha frecuencia se calcula utilizando la aproximación de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB).

Se consideró un gran número, del orden de 10 ⁵ , de combinaciones de conglomerados emitidos por los padres en una búsqueda sistemática de nuevos modos de desintegración . La gran cantidad de cálculos se podría realizar en un tiempo razonable utilizando el modelo ASAF desarrollado por Dorin N Poenaru , Walter Greiner , et al. El modelo fue el primero que se utilizó para predecir cantidades mensurables en la descomposición de los conglomerados. Se han predicho más de 150 modos de desintegración de grupos antes de que se haya informado de cualquier otro tipo de cálculo de semividas. Se han publicado tablas completas de semividas , relaciones de ramificación y energías cinéticas, por ejemplo ^[14] . ^[15]Se han calculado formas de barrera potenciales similares a las consideradas en el modelo ASAF utilizando el método macroscópico-microscópico. ^[dieciséis]

Anteriormente ^[17] se demostró que incluso la desintegración alfa puede considerarse un caso particular de fisión fría . El modelo ASAF puede usarse para describir de manera unificada la desintegración alfa en frío, la desintegración de los racimos y la fisión en frío (véase la figura 6.7, p. 287 de la Ref. [2]).

Se puede obtener con una buena aproximación una curva universal (UNIV) para cualquier tipo de modo de desintegración de racimo con un número de masa Ae, incluida la desintegración alfa

${\displaystyle \log T=-\log P_{s}-22.169+0.598(A_{e}-1)}$

En una escala logarítmica, la ecuación log T = f (log P _s ) representa una sola línea recta que puede usarse convenientemente para estimar la vida media. Se obtiene una única curva universal para los modos de desintegración alfa y desintegración de racimo expresando log T + log S = f (log P _s ). ^[18] Los datos experimentales sobre la desintegración de los conglomerados en tres grupos de núcleos parentales pares-pares, pares-impares e impares-pares se reproducen con precisión comparable mediante ambos tipos de curvas universales, UNIV de tipo fisión y UDL ^[19] derivadas utilizando teoría de la matriz R de tipo alfa.

Para encontrar la energía liberada

${\displaystyle Q=[M-(M_{d}+M_{e})]c^{2}}$

se puede utilizar la compilación de masas medidas ^[20] M, M _d y M _e de los núcleos padre, hijo y emitido, c es la velocidad de la luz. El exceso de masa se transforma en energía según la fórmula de Einstein E = mc ² .

Experimentos

La principal dificultad experimental para observar la descomposición de los cúmulos proviene de la necesidad de identificar algunos eventos raros en un contexto de partículas alfa. Las cantidades determinadas experimentalmente son la vida media parcial, T _c , y la energía cinética del grupo E _k emitido . También es necesario identificar la partícula emitida.

La detección de radiaciones se basa en sus interacciones con la materia, que conducen principalmente a ionizaciones. Utilizando un telescopio semiconductor y electrónica convencional para identificar los iones ¹⁴ C, el experimento de Rose y Jones se ejecutó durante unos seis meses para obtener 11 eventos útiles.

Con espectrómetros magnéticos modernos (SOLENO y Enge-split pole), en el Laboratorio Nacional de Orsay y Argonne (ver cap. 7 en Ref. [2] págs. 188-204), se podría usar una fuente muy fuerte, de modo que se obtengan resultados en unas pocas horas.

Para superar esta dificultad se han utilizado detectores de seguimiento nuclear de estado sólido (SSNTD) insensibles a las partículas alfa y espectrómetros magnéticos en los que las partículas alfa son desviadas por un fuerte campo magnético. Los SSNTD son económicos y prácticos, pero necesitan grabado químico y escaneado con microscopio.

P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti y sus compañeros de trabajo desempeñaron un papel clave en los experimentos sobre modos de desintegración de racimos realizados en Berkeley, Orsay, Dubna y Milán.

La región principal de 20 emisores observados experimentalmente hasta 2010 está por encima de Z = 86: ²²¹ Fr, ^221-224,226 Ra, ^223,225 Ac, ^228,230 Th, ²³¹ Pa, ^230,232-236 U, ^236,238 Pu y ²⁴² Cm. Solo se pudieron detectar límites superiores en los siguientes casos: desintegración de ¹² C de ¹¹⁴ Ba, desintegración de ¹⁵ N de ²²³ Ac, desintegración de ¹⁸ O de ²²⁶ Th, ^24,26 Ne desintegraciones de ²³² Th y de ²³⁶ U, ²⁸ Mg de desintegración de ^232,233,235U, ³⁰ Mg de desintegración de ²³⁷ Np, y ³⁴ Si de desintegración de ²⁴⁰ Pu y de ²⁴¹ Am.

Algunos de los emisores de racimo son miembros de las tres familias radiactivas naturales. Otros deberían ser producidos por reacciones nucleares. Hasta ahora no se ha observado ningún emisor extraño.

De muchos modos de desintegración con vidas medias y proporciones de ramificación relativas a la desintegración alfa predicha con el modelo analítico de fisión superasimétrica (ASAF), se han confirmado experimentalmente los siguientes 11: ¹⁴ C, ²⁰ O, ²³ F, ^22,24-26 Ne, ^28,30 Mg y ^32,34 Si. Los datos experimentales concuerdan bien con los valores predichos. Se puede observar un fuerte efecto de capa: por regla general, el valor más corto de la vida media se obtiene cuando el núcleo hijo tiene un número mágico de neutrones (N _d = 126) y / o protones (Z _d = 82).

Las emisiones de conglomerados conocidas a partir de 2010 son las siguientes: ^{[21] [22] [23]}

Isótopo	Partícula emitida	Relación de ramificación	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 mil	20 O	1,13 × 10 −13	20,72	44.723
230 mil	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

Estructura fina

La estructura fina en la radiactividad ¹⁴ C de ²²³ Ra fue discutida por primera vez por M. Greiner y W. Scheid en 1986. ^[24] El espectrómetro superconductor SOLENO de IPN Orsay se ha utilizado desde 1984 para identificar grupos de ¹⁴ C emitidos por ^{222 -224.226} núcleos Ra. Además, se utilizó para descubrir ^{[25] [26]} la estructura fina observando transiciones a estados excitados de la hija. Una transición con un estado excitado de ¹⁴ C predicho en la Ref. ^[24] aún no se ha observado.

Sorprendentemente, los experimentadores habían visto una transición al primer estado excitado de la hija más fuerte que al estado fundamental. La transición se ve favorecida si el nucleón desacoplado se deja en el mismo estado tanto en el núcleo padre como en el hijo. De lo contrario, la diferencia en la estructura nuclear conduce a un gran obstáculo.

Se confirmó la interpretación ^[27] : el componente esférico principal de la función de onda madre deformada tiene un carácter i _11/2 , es decir, el componente principal es esférico.

Referencias

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Enlaces externos

• Centro Nacional de Datos Nucleares