Radiactividad de racimo

La desintegración de grupos (también llamada partículas pesadas de radiactividad o iones pesados ​​radiactivos ) es un tipo (raro) de desintegración radiactiva en la que un núcleo principal con nucleones A y protones Z emite un "  grupo  " (agregado nuclear) de neutrones N e y Z e protones más pesados ​​que una partícula alfa , pero más ligeros que un fragmento de fisión binario típico. Debido a la pérdida de protones del núcleo padre, el núcleo hijo tiene un número de masa A f = A - A e y un número atómico Z f = Z - Z e donde A e = N e + Z e . La partícula emitida es un isótopo de un elemento con A e > 4, como carbono , oxígeno , neón , magnesio , silicio ...

La relación de ramificación con respecto a la desintegración alfa

es bastante bajo (ver tabla a continuación). T a y T c son la vida media del núcleo parental con respecto a la desintegración alfa y la radiactividad del racimo, respectivamente.

La radiactividad de racimo, como la desintegración alfa, es un proceso de tunelización  ; para ser emitido, el racimo debe atravesar una barrera potencial .

En teoría, cualquier núcleo con Z> 40 para el que la energía liberada, Q, es una cantidad positiva, puede ser un emisor de racimo. En la práctica, las observaciones están severamente restringidas a las limitaciones impuestas por las técnicas experimentales actuales que requieren un suficiente tiempo de vida corto, T c <10 32 s, y una relación de ramificación bastante grande B> 10 -17 .

En ausencia de una pérdida de energía de deformación del fragmento y energía de excitación, como en la fisión fría o la desintegración alfa , la energía cinética total es igual al valor de Q dividido entre las partículas en proporción inversa a sus masas., Como lo requiere la conservación de impulso

donde A f es el número másico del núcleo hijo A f = A - A e .

La radiactividad de racimo es un proceso intermedio entre la desintegración alfa (con el núcleo emitido 4 He) y la fisión espontánea , en la que un núcleo pesado se divide en dos fragmentos y unos pocos neutrones. La fisión espontánea conduce a una distribución probabilística de los fragmentos, lo que la distingue de la emisión de racimos de luz. Para la emisión de cúmulos pesados, no hay diferencia cualitativa entre la radiactividad del cúmulo y la fisión fría espontánea.

Histórico

Se obtuvo la primera información sobre el núcleo atómico a principios del XX °  siglo 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 de la naturaleza: fuerte , débil y electromagnética . La fisión espontánea se hizo popular poco después de su descubrimiento en 1940 por Konstantin Petrzhak  (en) y Georgy Flyorov debido a aplicaciones militares y neutrones de fisión inducida pacíficamente descubiertos en 1939 por Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann , se libera mucha energía durante proceso.

Hay muchos otros tipos de radiactividad, por ejemplo, radiactividad de racimo, desintegración de protones y dos protones, diferentes modos de desintegración retardada beta (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), fisión isomérica, fisión acompañada de emisión de partículas (fisión ternaria), etc. La altura de la barrera de potencial para la emisión de partículas cargadas, principalmente de naturaleza electrostática, es mucho mayor que la energía cinética de las partículas emitidas. La desintegración espontánea solo puede explicarse por el efecto túnel de una manera similar a la primera aplicación de la mecánica cuántica a los núcleos hecha 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 del núcleo pesado intermedio entre la desintegración alfa y la fisión espontánea. La primera observación de radiactividad en iones pesados ​​fue la del carbono 14 emisión de 30 MeV por 223 Ra por HJ Rose y GA Jones en 1984 " .

Por lo general, la teoría explica un fenómeno ya observado experimentalmente. La radiactividad de los cúmulos es uno de los raros ejemplos de los fenómenos predichos antes del descubrimiento experimental. Las predicciones teóricas se hicieron en 1980, cuatro años antes del descubrimiento experimental. Se utilizaron cuatro enfoques teóricos:

Los modelos de fisión superasimétricos se basan en el método macroscópico-microscópico utilizando los niveles de energía del modelo en capas de dos centros como datos de entrada para calcular las correcciones de capas y emparejamiento. O bien el líquido gota de modelo o la Yukawa-más-exponencial extendido modelo para diferentes relaciones de carga a masa se utilizaron para el cálculo de 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 por cada mil millones de partículas α.

Teoría

El efecto de túnel cuántico se puede calcular extendiendo la teoría de la fisión a una asimetría de masa más grande o mediante la teoría de la desintegración alfa aplicada a los iones más pesados.

Ambos enfoques son capaces de expresar la constante de desintegración , como un producto de tres cantidades que dependen del modelo.

donde ν es la frecuencia de los asaltos a la barrera por segundo, S es la probabilidad de preformación del grupo en la superficie del núcleo y P s es la penetración de la barrera externa. En la teoría alfa, S es una integral de cobertura de las funciones de onda de los socios. En la teoría de la fisión, la probabilidad de preformación es la penetrabilidad de la parte interna de la barrera. Muy a menudo, se calcula utilizando la aproximación de Wentzel-Kramers-Brillouin (BKW).

En una búsqueda sistemática de nuevos modos de descomposición se tuvo en cuenta un gran número, del orden de 10 5 , de combinaciones parentales-clúster emitidas. La gran cantidad de cálculos se puede realizar en un tiempo razonable, utilizando el modelo ASAF desarrollado por Dorin N. Poenaru , Walter Greiner et al. El modelo se utilizó por primera vez para predecir cantidades mensurables de radiactividad en racimos. Se predijeron más de 150 modos de desintegración antes de que se publicaran otros tipos de cálculos de vida media. Se han publicado tablas de vida media , relación de ramificación y energías cinéticas, como. Se calcularon formas de barreras potenciales similares a las consideradas en el modelo ASAF utilizando el método macroscópico.

Anteriormente, se demostró que incluso la desintegración alfa puede considerarse un caso especial de fisión fría. El modelo ASAF se puede utilizar para una descripción unificada de la desintegración alfa, la radiactividad de los racimos y la fisión fría.

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

En una escala logarítmica, la ecuación log T = f (log P s ) representa una sola línea recta para una A e dada que se puede usar ventajosamente para estimar la vida media.

Una única curva universal para los modos de desintegración alfa y de agrupamiento con diferentes resultados A e expresando log T + log S = f (log P s ). Los datos experimentales sobre la radiactividad de las agrupaciones de tres grupos de los núcleos parentales pares-pares, pares-impares e impares-pares se reproducen con precisión comparable por los dos tipos de curvas universales, UNIV y UDL obtenidos utilizando la teoría de la matriz R .

Para encontrar la energía liberada

se puede utilizar la compilación de las masas medidas M, M f y M e del núcleo padre, hijo y núcleo emitido; es la velocidad de la luz . El exceso de masa se transforma en energía según la fórmula de Einstein E = mc 2 .

Experiencias

La principal dificultad experimental para observar la radiactividad de los cúmulos proviene de la necesidad de identificar algunos eventos raros entre una gran cantidad 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 la ionización. Con el fin de obtener 11 eventos útiles con un telescopio semiconductor y electrónica convencional para identificar iones 14 C, el experimento de Rose y Jones se llevó a cabo durante unos seis meses. Debido a su descubrimiento relativamente reciente debido a su rareza, se ha citado como "  radiactividad exótica  ".

Para superar esta dificultad se han utilizado detectores de trazas nucleares de estado sólido insensibles a partículas alfa (SSNTD) y espectrómetros magnéticos en los que las partículas alfa son desviadas por un fuerte campo magnético. Los SSNTD son económicos pero requieren un tratamiento químico y una exploración prolongada con el microscopio para encontrar una pequeña cantidad de rastros.

P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti, A. Guglielmetti y sus colegas desempeñaron un papel clave en los experimentos de modo de desintegración de racimos llevados a cabo 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 detectaron límites superiores en los siguientes casos: disminución de 114 Ba por emisión de 12 C, emisión de 15 N por 223 Ac, 18 O por 226 Th, 24,26 Ne por 232 Th y por 236 U, 28 Mg por 232,233,235 U, 30 Mg por 237 Np y 34 Si por 240 Pu y por 241 Am.

Algunos de los emisores de racimo son miembros de las tres familias naturales de radiactividad. Se espera que otros sean producidos por reacciones nucleares. Hasta ahora (2013), no se ha observado ningún emisor extraño.

Se confirmaron experimentalmente once modos de desintegración con semividas y proporciones de ramificación a alfa predichas por el modelo ASAF: 14 C, 20 O, 23 F, 22,24-26 Ne, 28,30 Mg, 32,34 Si. Los datos experimentales concuerdan bien con el valores predichos. Se puede ver un efecto de capa muy fuerte: el tiempo de vida más corto se obtiene cuando el núcleo hijo tiene un número mágico de neutrones (N f = 126) y / o protones (Z f = 82). Ahora se sabe que más de 20 nucleidos exhiben este tipo de desintegración radiactiva, emitiendo núcleos relativamente grandes a una velocidad extremadamente reducida, "saltando" los pasos intermedios que conducen a isótopos estables.

Las diversas emisiones de clúster conocidas son:

Kernel padre Hijo del núcleo Grupo emitido Informe de conexión 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 × 10 −13 14.52 31,290
221 Ra 207 Pb 14 C 1,15 × 10 −12 13.39 32,394
222 Ra 208 Pb 14 C 3,7 × 10 −10 11.01 33.049
223 Ra 209 Pb 14 C 8,9 × 10 −10 15.04 31.829
224 Ra 210 Pb 14 C 4,3 × 10 −11 15,86 30.535
223 Ac 209 Bi 14 C 3,2 × 10 −11 12,96 33,064
225 acres 211 Bi 14 C 4,5 × 10 −12 17.28 30,476
226 Ra 212 Pb 14 C 3,2 × 10 −11 21.19 28.196
228 mil 208 Pb 20 O 1,13 × 10 −13 20,72 44,723
230 mil 206 Hg 24 Hacer 5,6 × 10 −13 24,61 57.758
231 Pa 208 Pb 23 F 9,97 × 10 −15 26.02 51.844
207 Tl 24 Hacer 1,34 × 10 −11 22,88 60.408
232 U 208 Pb 24 Hacer 9,16 × 10 −12 20.40 62.309
204 Hg 28 mg <1,18 × 10 −13 > 22,26 74.318
233 U 209 Pb 24 Hacer 7,2 × 10 −13 24,84 60,484
208 Pb 25 Hacer 60.776
205 Hg 28 mg <1,3 × 10 −15 > 27,59 74,224
234 U 206 Hg 28 mg 1,38 × 10 −13 25.14 74.108
210 Pb 24 Hacer 9,9 × 10 −14 25,88 58.825
208 Pb 26 Hacer 59.465
235 U 211 Pb 24 Hacer 8,06 × 10 −12 27,42 57,361
210 Pb 25 Hacer 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 Hacer <9,2 × 10 −12 > 25,90 55.944
210 Pb 26 Hacer 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 × 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 Si 1,38 × 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 Si <6 × 10 −15 > 25,52 91.026
241 am 207 Tl 34 Si <7,4 × 10 −16 > 25,26 93.923
242 Cm 208 Pb 34 Si 1 × 10 −16 23.15 96.508

"?": por confirmar / completar (la (in) existencia de 178 Er parece borrosa).

Estructura fina

La fina estructura del 14 C emitido por 223 Ra fue discutida por primera vez por M. Greiner y W. Scheid en 1986. Desde 1984, el espectrómetro superconductor SOLENO de IPN Orsay se ha utilizado para identificar el grupo de 14 C emitido por el 222- 224,226 Ra. Además, SOLENO se utilizó para descubrir una estructura fina mediante la observación de las transiciones a los estados excitados del núcleo hijo.

Los experimentadores observaron una transición al primer estado excitado del núcleo del niño que era más fuerte que la del estado fundamental. La transición se ve favorecida si el nucleón desacoplado se deja en el mismo estado que los núcleos padre e hijo. De lo contrario, la diferencia en la estructura nuclear de los dos estados conduce a un gran obstáculo.

La interpretación fue confirmada: el principal componente esférico de la función de onda del núcleo parental deformado tiene un carácter i 11/2 , es decir, el componente principal es esférico.

Referencias

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enlaces externos

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