протонная радиоактивность

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 протонав 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 Z25 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 ф-ция (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 измеренныхс.

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 ф-ции 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 для1 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.

Лит.: Карнаухов В. А., Петров Л. А., Ядра, удаленные от линии бета-стабильности, М., 1981; Particle emission from nuclei, ed. by M.S. Ivascu, D. N. Poenaru, v. 1-3, GRC Press, 1988. В. А. Карнаухов.

   <<      Предметный указатель      >>