Décroissance des grappes - Cluster decay
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La désintégration en grappes , également appelée radioactivité des particules lourdes ou radioactivité des ions lourds , est un type rare de désintégration nucléaire dans lequel un noyau atomique émet un petit "amas" de neutrons et de protons , plus que dans une particule alpha , mais moins qu'une fission binaire typique. fragment . La fission ternaire en trois fragments produit également des produits de la taille d'un amas. La perte de protons du noyau parent le transforme en noyau d'un élément différent, le fils, avec un nombre de masse A d = A − A e et un numéro atomique Z d = Z − Z e , où A e = N e + Z e . Par example:
-
223
88Ra
→ 14
6C
+ 209
82Pb
Ce type de mode de désintégration rare a été observé dans les radio - isotopes qui se désintègrent principalement par émission alpha , et il ne se produit que dans un faible pourcentage des désintégrations pour tous ces isotopes.
Le rapport de branchement par rapport à la désintégration alpha est plutôt faible (voir le tableau ci-dessous).
T a et T c sont les demi-vies du noyau parent par rapport à la désintégration alpha et à la radioactivité en grappe, respectivement.
La désintégration d'amas, comme la désintégration alpha, est un processus d'effet tunnel quantique : pour être émis, l'amas doit traverser une barrière potentielle. Il s'agit d'un processus différent de la désintégration nucléaire plus aléatoire qui précède l'émission de fragments légers dans la fission ternaire , qui peut être le résultat d'une réaction nucléaire , mais peut également être un type de désintégration radioactive spontanée dans certains nucléides, démontrant que l'énergie d'entrée n'est pas nécessairement nécessaire à la fission, qui reste un processus fondamentalement différent du point de vue mécanique.
Théoriquement, tout noyau avec Z > 40 pour lequel l'énergie libérée (valeur Q) est une quantité positive, peut être un cluster-émetteur. En pratique, les observations sont sévèrement limitées aux limitations imposées par les techniques expérimentales actuellement disponibles qui nécessitent une demi-vie suffisamment courte, T c < 10 32 s, et un rapport de branchement suffisamment grand B > 10 -17 .
En l'absence de toute perte d'énergie pour la déformation et l'excitation des fragments, comme dans les phénomènes de fission à froid ou dans la désintégration alpha, l'énergie cinétique totale est égale à la valeur Q et est divisée entre les particules en proportion inverse de leur masse, comme requis par conservation de la quantité de mouvement linéaire
où A d est le nombre de masse de la fille, A d = A − A e .
La désintégration en grappe existe dans une position intermédiaire entre la désintégration alpha (dans laquelle un noyau crache un noyau de 4 He ) et la fission spontanée , dans laquelle un noyau lourd se divise en deux (ou plus) gros fragments et un nombre assorti de neutrons. La fission spontanée aboutit à une distribution probabiliste de produits de filiation, ce qui la distingue de la désintégration des amas. Dans la désintégration en amas pour un radio-isotope donné, la particule émise est un noyau léger et la méthode de désintégration émet toujours cette même particule. Pour les amas émis plus lourds, il n'y a par ailleurs pratiquement aucune différence qualitative entre la désintégration des amas et la fission froide spontanée.
Histoire
Les premières informations sur le noyau atomique ont été obtenues au début du 20e siècle en étudiant la radioactivité. Pendant une longue période, seuls trois types de modes de désintégration nucléaire ( alpha , bêta et gamma ) étaient connus. Ils illustrent trois des interactions fondamentales dans la nature : forte , faible et électromagnétique . La fission spontanée est devenue mieux étudiée peu de temps après sa découverte en 1940 par Konstantin Petrzhak et Georgy Flyorov en raison à la fois des applications militaires et pacifiques de la fission induite. Cela a été découvert vers 1939 par Otto Hahn , Lise Meitner et Fritz Strassmann .
Il y a beaucoup d' autres types de radioactivité, par exemple la désintégration cluster, émission de protons , les différents modes de désintégration retardée bêta (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alpha, f), fission isomères , particules accompagnée fission (ternaire), etc. La hauteur de la barrière de potentiel, principalement de nature coulombienne, pour l'émission des particules chargées est bien supérieure à l'énergie cinétique observée des particules émises. La désintégration spontanée ne peut être expliquée que par l'effet tunnel quantique d'une manière similaire à la première application de la mécanique quantique aux noyaux donnée par G. Gamow pour la désintégration alpha.
- "En 1980, A. Sandulescu, DN Poenaru et W. Greiner ont décrit des calculs indiquant la possibilité d'un nouveau type de désintégration des noyaux lourds intermédiaire entre la désintégration alpha et la fission spontanée. La première observation de la radioactivité des ions lourds a été celle d'un 30- MeV, émission de carbone-14 du radium-223 par HJ Rose et GA Jones en 1984" .
Habituellement, la théorie explique un phénomène déjà observé expérimentalement. La désintégration des grappes est l'un des rares exemples de phénomènes prédits avant la découverte expérimentale. Des prédictions théoriques ont été faites en 1980, quatre ans avant la découverte expérimentale.
Quatre approches théoriques ont été utilisées : la théorie de la fragmentation en résolvant une équation de Schrödinger avec comme variable l'asymétrie de masse pour obtenir les distributions de masse des fragments ; calculs de pénétrabilité similaires à ceux utilisés dans la théorie traditionnelle de la désintégration alpha, et modèles de fission superasymétriques, numériques (NuSAF) et analytiques (ASAF). Les modèles de fission superasymétriques sont basés sur l'approche macroscopique-microscopique utilisant les énergies asymétriques au niveau du modèle de coque à deux centres comme données d'entrée pour la coque et les corrections d'appariement. Le modèle de goutte liquide ou le modèle Yukawa-plus-exponentiel étendu à différents rapports charge/masse ont été utilisés pour calculer l'énergie de déformation macroscopique.
La théorie de la pénétrabilité a prédit huit modes de désintégration : 14 C, 24 Ne, 28 Mg, 32,34 Si, 46 Ar et 48,50 Ca à partir des noyaux parents suivants : 222 224 Ra, 230 232 Th, 236 238 U, 244 246 Pu, 248 250 Cm, 250 252 Cf, 252 254 Fm et 252 254 No.
Le premier rapport expérimental a été publié en 1984, lorsque des physiciens de l'Université d'Oxford ont découvert que le 223 Ra émet un noyau 14 C parmi chaque milliard (10 9 ) de désintégrations par émission alpha.
Théorie
L'effet tunnel quantique peut être calculé soit en étendant la théorie de la fission à une plus grande asymétrie de masse, soit par des particules émises plus lourdes à partir de la théorie de la désintégration alpha .
Les approches de type fission et alpha sont capables d'exprimer la constante de désintégration = ln 2 / T c , en tant que produit de trois quantités dépendantes du modèle
où est la fréquence des assauts sur la barrière par seconde, S est la probabilité de préformation de l'amas à la surface nucléaire, et P s est la pénétrabilité de la barrière externe. Dans les théories de type alpha, S est une intégrale de chevauchement de la fonction d'onde des trois partenaires (parent, fille et cluster émis). Dans une théorie de la fission, la probabilité de préformation est la pénétrabilité de la partie interne de la barrière depuis le point de retournement initial R i jusqu'au point de contact R t . Très fréquemment, il est calculé en utilisant l'approximation de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB).
Un très grand nombre, de l'ordre de 10 5 , de combinaisons d'amas émis par les parents ont été considérés dans une recherche systématique de nouveaux modes de désintégration . La grande quantité de calculs a pu être effectuée dans un temps raisonnable en utilisant le modèle ASAF développé par Dorin N Poenaru , Walter Greiner , et al. Le modèle a été le premier à être utilisé pour prédire des quantités mesurables dans la désintégration des amas. Plus de 150 modes de désintégration d'amas ont été prédits avant que tout autre type de calculs de demi-vies n'ait été rapporté. Des tableaux complets des demi-vies , des rapports de branchement et des énergies cinétiques ont été publiés, par ex. Des formes de barrières potentielles similaires à celles considérées dans le modèle ASAF ont été calculées en utilisant la méthode macroscopique-microscopique.
Auparavant, il a été démontré que même la désintégration alpha peut être considérée comme un cas particulier de fission froide . Le modèle ASAF peut être utilisé pour décrire de manière unifiée la désintégration alpha froide, la désintégration en amas et la fission froide (voir figure 6.7, p. 287 de la Réf. [2]).
On peut obtenir avec une bonne approximation une courbe universelle (UNIV) pour tout type de mode de désintégration d'amas avec un nombre de masse Ae, y compris la désintégration alpha
Dans une échelle logarithmique, l'équation log T = f(log P s ) représente une seule ligne droite qui peut être commodément utilisée pour estimer la demi-vie. Une courbe universelle unique pour les modes de désintégration alpha et de désintégration en grappes est obtenue en exprimant log T + log S = f(log P s ). Les données expérimentales sur la désintégration des clusters dans trois groupes de noyaux parents pairs-pairs, pairs-impairs et impairs-pairs sont reproduites avec une précision comparable par les deux types de courbes universelles, UNIV de type fission et UDL dérivées à l'aide d'une matrice R de type alpha. théorie.
Pour trouver l'énergie libérée
![Q=[M-(M_{d}+M_{e})]c^{2}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6b6a73f0a61276652d2ec36105a3022ebd4c60bd)
on peut utiliser la compilation des masses mesurées M, M d , et M e des noyaux parent, fils et émis, c est la vitesse de la lumière. L'excès de masse est transformé en énergie selon la formule d'Einstein E = mc 2 .
Expériences
La principale difficulté expérimentale dans l'observation de la désintégration des amas vient de la nécessité d'identifier quelques événements rares sur un fond de particules alpha. Les grandeurs déterminées expérimentalement sont la demi-vie partielle, T c , et l'énergie cinétique de l'amas émis E k . Il est également nécessaire d'identifier la particule émise.
La détection des rayonnements repose sur leurs interactions avec la matière, conduisant principalement à des ionisations. L' utilisation d' un télescope semi - conducteurs et l' électronique classique pour identifier les 14 ions C, l'expérience de Rose et Jones a été en cours d' exécution pendant environ six mois afin d'obtenir 11 événements utiles.
Avec les spectromètres magnétiques modernes (SOLENO et pôle Enge-split), au Laboratoire National d'Orsay et d'Argonne (voir ch. 7 dans Réf. [2] pp. 188–204), une source très puissante a pu être utilisée, de sorte que des résultats ont été obtenus en quelques heures.
Des détecteurs de traces nucléaires à l'état solide (SSNTD) insensibles aux particules alpha et des spectromètres magnétiques dans lesquels les particules alpha sont déviées par un champ magnétique puissant ont été utilisés pour surmonter cette difficulté. Les SSNTD sont bon marché et pratiques, mais ils nécessitent une gravure chimique et un balayage au microscope.
Un rôle clé dans les expériences sur les modes de désintégration des clusters réalisées à Berkeley, Orsay, Dubna et Milan a été joué par P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti et leurs collègues.
La région principale des 20 émetteurs observés expérimentalement jusqu'en 2010 est supérieure à Z=86 : 221 Fr, 221-224.226 Ra, 223.225 Ac, 228.230 Th, 231 Pa, 230.232-236 U, 236.238 Pu et 242 Cm. Seules des limites supérieures ont pu être détectées dans les cas suivants : désintégration 12 C de 114 Ba, désintégration 15 N de 223 Ac, désintégration 18 O de 226 Th, désintégrations 24,26 Ne de 232 Th et de 236 U, désintégrations 28 Mg de 232 233 235 U, désintégration 30 Mg de 237 Np, et désintégration 34 Si de 240 Pu et de 241 Am.
Certains des émetteurs de grappes appartiennent aux trois familles radioactives naturelles. D'autres devraient être produits par des réactions nucléaires. Jusqu'à présent, aucun émetteur impair n'a été observé.
À partir de nombreux modes de désintégration avec des demi-vies et des rapports de branchement relatifs à la désintégration alpha prédits avec le modèle analytique de fission superasymétrique (ASAF), les 11 suivants ont été confirmés expérimentalement : 14 C, 20 O, 23 F, 22,24-26 Ne, 28,30 mg et 32,34 Si. Les données expérimentales sont en bon accord avec les valeurs prédites. On observe un fort effet de coquille : en règle générale, la valeur la plus courte de la demi-vie est obtenue lorsque le noyau fils possède un nombre magique de neutrons (N d = 126) et/ou de protons (Z d = 82).
Les émissions de grappes connues en 2010 sont les suivantes :
| Isotope | Particule émise | Rapport de branchement | 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 ème | 20 heures | 1,13 × 10 −13 | 20.72 | 44.723 |
| 230 ème | 24 Né | 5,6 × 10 −13 | 24.61 | 57.758 |
| 231 Pa | 23 F | 9,97 × 10 −15 | 26.02 | 51.844 |
| 24 Né | 1,34 × 10 −11 | 22,88 | 60,408 | |
| 232 U | 24 Né | 9,16 × 10 −12 | 20.40 | 62.309 |
| 28 mg | < 1,18 × 10 −13 | > 22,26 | 74.318 | |
| 233 U | 24 Né | 7,2 × 10 −13 | 24,84 | 60,484 |
| 25 Né | 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 Né | 9,9 × 10 −14 | 25,88 | 58.825 | |
| 26 Né | 59.465 | |||
| 235 U | 24 Né | 8,06 × 10 −12 | 27.42 | 57.361 |
| 25 Né | 57,756 | |||
| 28 mg | < 1,8 × 10 −12 | > 28.09 | 72.162 | |
| 29 mg | 72.535 | |||
| 236 U | 24 Né | < 9,2 × 10 −12 | > 25,90 | 55.944 |
| 26 Né | 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 unités | 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 |
Structure fine
La structure fine de la radioactivité 14 C du 223 Ra a été discutée pour la première fois par M. Greiner et W. Scheid en 1986. Le spectromètre supraconducteur SOLENO de l'IPN Orsay est utilisé depuis 1984 pour identifier les amas de 14 C émis par le 222-224 226 Ra. noyaux. De plus, il a été utilisé pour découvrir la structure fine observant les transitions vers les états excités de la fille. Une transition avec un état excité de 14 C prédit dans la Réf. n'a pas encore été observée.
Étonnamment, les expérimentateurs avaient vu une transition vers le premier état excité de la fille plus forte que celle vers l'état fondamental. La transition est favorisée si le nucléon non couplé est laissé dans le même état dans les deux noyaux parent et fils. Sinon, la différence de structure nucléaire conduit à un obstacle important.
L'interprétation a été confirmée : la composante sphérique principale de la fonction d'onde parent déformée a un caractère i 11/2 , c'est-à-dire que la composante principale est sphérique.