Nükleer damlama hattı - Nuclear drip line

Nüklidlerin Grafik için karbon için flor . Çürüme modları :

Nükleer damlama hattı atom çekirdeklerinin bir proton veya nötronun emisyonuyla çürüme hangi ötesinde bölgeyi sınırlayan sınırıdır.

Protonların ve nötronların keyfi bir kombinasyonu, mutlaka kararlı bir çekirdek vermez . Belirli bir çekirdeğe bir tür nükleon ekleyerek nüklid tablosunda yukarı ve/veya sağa hareket etmek düşünülebilir . Bununla birlikte, belirli bir çekirdeğe birer birer nükleonlar eklemek, sonunda bir proton (veya nötron) yayarak hemen bozunan yeni oluşturulmuş bir çekirdeğe yol açacaktır. Halk dilinde konuşursak, nükleon çekirdekten "sızdı" veya "damladı", dolayısıyla "damlama hattı" terimine yol açtı.

Proton-nötron oranının en uç noktasındaki protonlar ve nötronlar için damlama hatları tanımlanmıştır ; damlama hatlarında veya ötesinde p:n oranlarında, bağlı çekirdekler mevcut olamaz. Proton damlama hattının konumu birçok element için iyi bilinirken, nötron damlama hattının konumu sadece neon'a kadar olan elementler için bilinir .

Genel açıklama

Nükleer kararlılık , aynı zamanda kararlılık vadisi olarak da adlandırılan nüklidler tablosunda açıklanan proton ve nötron kombinasyonlarıyla sınırlıdır . Bu vadinin sınırları, nötron bakımından zengin taraftaki nötron damlama hattı ve proton bakımından zengin taraftaki proton damlama hattıdır. Bu sınırlar, bir veya daha fazla nükleonun emisyonu ile ekzotermik bir nükleer geçiş meydana gelebileceği ( parçacık fiziğinde parçacık bozunması ile karıştırılmamalıdır) parçacık bozunması nedeniyle mevcuttur . Bu nedenle, damlama hattı, ötesinde proton veya nötron ayırma enerjisinin negatif hale geldiği sınır olarak tanımlanabilir, bu da yeni oluşturulmuş bir bağlanmamış sistemden bir parçacığın emisyonunu destekler.

İzin verilen geçişler

Belirli bir nükleer dönüşüme, bir reaksiyona veya bir bozunmaya enerjik olarak izin verilip verilmediğini düşünürken, yalnızca ilk çekirdeğin/çekirdeklerin kütlelerinin toplanması ve bu değerden ürün parçacıklarının kütlelerinin toplamının çıkarılması gerekir. Sonuç veya Q-değeri pozitifse, dönüşüme izin verilir veya enerji saldığı için ekzotermiktir ve Q değeri negatif bir miktar ise, o zaman endotermiktir, çünkü en azından bu kadar enerji eklenmesi gerekir. sistem dönüşümden önce devam edebilir. Örneğin, karbonun en yaygın izotopu olan 12 C'nin 11 B'ye proton emisyonu geçirip geçiremeyeceğini belirlemek için, bu sürece izin verilmesi için sisteme yaklaşık 16 MeV eklenmesi gerektiği bulunur. Q değerleri herhangi bir nükleer dönüşümü tanımlamak için kullanılabilirken, parçacık bozunması için parçacık ayırma enerjisi miktarı S de kullanılır ve bu Q-değerinin negatifine eşdeğerdir. Başka bir deyişle, proton ayırma enerjisi S p , tek bir protonu çıkarmak için belirli bir çekirdeğe ne kadar enerji eklenmesi gerektiğini gösterir. Böylece parçacık damlama çizgileri, parçacık ayırma enerjisinin sıfırdan küçük veya sıfıra eşit olduğu, bu parçacığın kendiliğinden emisyonuna enerjik olarak izin verilen sınırları tanımladı.

Damlama hatlarının konumu, ötesinde parçacık ayırma enerjisinin negatif hale geldiği sınır olarak iyi tanımlanmış olsa da, neyin çekirdeği veya bağlı olmayan bir rezonansı oluşturduğunun tanımı belirsizdir. Damlama hatlarının ötesinde bilinen bazı hafif element çekirdekleri, ömürleri 10 −22 saniye mertebesinde bozunur ; bu bazen nükleer varlığın bir sınırı olarak tanımlanır, çünkü bu zaman ölçeğinde birkaç temel nükleer süreç (titreşim ve dönme gibi) meydana gelir. Daha büyük çekirdekler için, daha güçlü bir Coulomb bariyeri nedeniyle parçacık emisyon yarı ömürleri önemli ölçüde daha uzun olabilir ve bunun yerine alfa ve beta bozunması gibi diğer geçişlerin gerçekleşmesini sağlayabilir . Gözlemlenecek kadar uzun ömürleri olan çekirdekler, parçacık emisyonunun zaman ölçeğinden çok daha uzun süre var oldukları ve büyük olasılıkla bağlı oldukları için, bu, damlama hatlarının kesin olarak belirlenmesini zorlaştırır. Sonuç olarak, parçacıkla bağlı olmayan çekirdeklerin doğrudan gözlemlenmesi zordur ve bunun yerine bozunma enerjileriyle tanımlanır.

Damlama hatlarının nükleer yapı kökeni

Bir çekirdekteki bir nükleonun enerjisi, durgun kütle enerjisi eksi bir bağlanma enerjisidir . Buna ek olarak, dejenerasyona bağlı olarak bir enerji vardır: mesela, enerji ile nükleon E 1 daha yüksek bir enerji zorunda olacak E 2 tüm düşük enerji dolu olan. Bunun nedeni nükleonların fermiyon olmaları ve Fermi-Dirac istatistiklerine uymalarıdır . Bu nükleonun daha yüksek bir enerji düzeyine getirilmesi için yapılan iş, dejenerasyon basıncı olan bir basınçla sonuçlanır . Etkili bağlanma enerjisi veya Fermi enerjisi sıfıra ulaştığında, çekirdeğe aynı izospinli bir nükleon eklemek mümkün değildir, çünkü yeni nükleon negatif etkili bağlanma enerjisine sahip olacaktır - yani, enerjisel olarak daha elverişlidir (sistem en düşük değerine sahip olacaktır). toplam enerji) çekirdeğin dışında oluşturulacak nükleon için. Bu, o tür için partikül damlama noktasını tanımlar.

Bir ve iki parçacıklı damlama hatları

Çoğu durumda, damlama hatları boyunca nüklidler bitişik değildir, bunun yerine tek parçacıklı ve iki parçacıklı damlama hatlarıyla ayrılır. Bu, çift ​​ve tek nükleon sayılarının bağlanma enerjisini etkilemesinin bir sonucudur , çünkü çift sayıda nükleon içeren nüklidler genellikle bitişik tek çekirdeklerden daha yüksek bir bağlanma enerjisine ve dolayısıyla daha fazla kararlılığa sahiptir. Bu enerji farklılıkları, bir tek- Z veya tek- N nüklidinde tek parçacıklı damlama hattı ile sonuçlanır, bunun için hızlı proton veya nötron emisyonu bu nüklitte ve damlama hattının daha dışındaki tüm diğer tek nüklidlerde enerjisel olarak elverişlidir. Bununla birlikte, tek parçacıklı damlama hattının dışındaki bir sonraki çift nüklid, iki parçacıklı ayırma enerjisi negatif değilse hala parçacık kararlı olabilir. Bu mümkündür, çünkü iki parçacıklı ayırma enerjisi her zaman tek parçacıklı ayırma enerjisinden daha büyüktür ve daha az kararlı bir tek nüklide geçiş enerjisel olarak yasaklanmıştır. Böylece iki parçacıklı damlama hattı, iki parçacıklı ayırma enerjisinin negatif olduğu yerde tanımlanır ve bir türün parçacık kararlılığı için en dış sınırı belirtir.

Bir ve iki nötron damlama hatları deneysel olarak neona kadar belirlenmiştir, ancak bağlanmamış tek- N izotopları bilinmekte veya magnezyuma kadar her element için gözetilmeme yoluyla çıkarsanmaktadır. Örneğin , son bağlı çift- N izotopu 31 F olmasına rağmen , son bağlı tek- N flor izotopu 26 F'dir.

Damlama hatlarının yakınındaki çekirdekler Dünya'da nadirdir

Doğal olarak oluşan üç tür radyoaktiviteden (α, β ve γ), yalnızca alfa bozunması , nükleer güçlü kuvvetten kaynaklanan bir bozunma türüdür . Diğer proton ve nötron bozunmaları, atom türlerinin yaşamında çok daha erken dönemde ve dünya oluşmadan önce meydana geldi. Bu nedenle, alfa bozunması ya bir parçacık bozunumu biçimi ya da daha az sıklıkla nükleer fisyonun özel bir durumu olarak düşünülebilir . Nükleer güçlü kuvvetin zaman ölçeği , nükleer zayıf kuvvetin veya elektromanyetik kuvvetinkinden çok daha hızlıdır , bu nedenle damlama hatlarını geçen çekirdeklerin ömrü tipik olarak nanosaniye veya daha kısadır. Alfa bozunması için zaman ölçeği, bir çekirdekteki bir alfa kümesi tarafından görülen yüksek Coulomb bariyeri nedeniyle proton veya nötron emisyonundan çok daha uzun olabilir (alfa parçacığı bariyerden tünel yapmalıdır ). Sonuç olarak, Dünya'da proton veya nötron emisyonuna uğrayan doğal olarak oluşan hiçbir çekirdek yoktur ; Bununla birlikte, bu tür çekirdekler ile laboratuarda, örneğin oluşturulabilir hızlandırıcılar ya da doğal olarak yıldızlı .. FRIB 2021/2022 yaklaşık on-line gelmek planlanan ve bir ışın içinde ekstre edilecek olan yeni radyoizotopları oluşturmak için planlanan ve ders çalışmak için kullanılır. Nispeten kararlı izotoplardan oluşan bir ışın demetini bir ortamdan geçirme, bu da çekirdekleri bozan ve daha sonra ekstrakte edilen çok sayıda yeni çekirdek yaratma sürecini kullanır.

nükleosentez

Patlayıcı astrofiziksel ortamlar genellikle tohum çekirdekleri üzerinde yakalanabilen çok büyük yüksek enerjili nükleon akışlarına sahiptir . Bu ortamlarda, radyasyonlu proton veya nötron yakalama , beta bozunmalarından çok daha hızlı gerçekleşecek ve hem büyük nötron akıları hem de yüksek enerjili protonlara sahip astrofiziksel ortamlar şu anda bilinmediğinden, reaksiyon akışı beta-kararlılığından ikisinden birine doğru veya bunlardan birine doğru ilerleyecektir. sırasıyla nötron veya proton damlama hatları. Bununla birlikte, bir çekirdek bir damlama hattına ulaştığında, gördüğümüz gibi, belirli bir çekirdeğe o türden daha fazla nükleon eklenemez ve daha fazla nükleon yakalaması meydana gelmeden önce çekirdeğin ilk önce bir beta bozunmasına uğraması gerekir.

foto parçalanma

Damlama hatları nükleosentez için nihai sınırları empoze ederken, yüksek enerjili ortamlarda, yüksek enerjili bir gama ışınının bir nükleonu bir çekirdekten çıkardığı fotoparçalanma yoluyla damlama hatlarına ulaşmadan önce yanma yolu sınırlanabilir . Aynı çekirdek hem nükleon hem de foton akışına tabidir, bu nedenle belirli nükleer türlerde kütlenin oluştuğu yerde bir dengeye ulaşılır.

Foton banyosu tipik olarak bir Planckian dağılımı ile tanımlanacağı için , daha yüksek enerjili fotonlar daha az bol olacaktır ve bu nedenle foto parçalanma , daha düşük enerji tarafından foto parçalanmanın indüklenebileceği damlama hatlarına doğru nükleon ayırma enerjisi sıfıra yaklaşmaya başlayana kadar önemli olmayacaktır. Gama ışınları. 1 × 10 At 9 Kelvin, foton dağılımı az 3 MeV den partikül ayırma enerjileri olan herhangi çekirdeklerinin nucleon'un nakavt, ama bir de rakip ışınımsal yakalar göz önüne almalıyız bolluklarında Ne var ki çekirdekleri bilmek enerjik yeterlidir.

Gibi nötron yakalar herhangi bir enerji rejimde devam edebilirsiniz, nötron photodisintegration yüksek enerjilerde dışında önemli değildir. Bununla birlikte, proton yakalamaları Coulomb bariyeri tarafından engellendiğinden, düşük enerjilerdeki yüklü parçacık reaksiyonlarının kesitleri büyük ölçüde bastırılır ve proton yakalamalarının meydana gelme olasılığının yüksek olduğu yüksek enerji rejimlerinde, genellikle arasında bir rekabet vardır. patlayıcı hidrojen yanması sırasında meydana gelen proton yakalama ve foto parçalanma; ancak proton damlama hattı, nötron damlama hattından daha beta-kararlılık vadisine nispeten daha yakın olduğu için, bazı ortamlarda nükleosentez her iki nükleon damlama hattına kadar ilerleyebilir.

Bekleme noktaları ve zaman ölçekleri

Işınımsal yakalama artık belirli bir çekirdek üzerinde, ya foto parçalanmadan ya da damlama hatlarından ilerleyemediğinde, daha yüksek kütleye kadar daha fazla nükleer işleme , ya 4 He gibi daha ağır bir çekirdekle reaksiyona girerek bu çekirdeği atlamalı ya da daha sık olarak beklemek zorundadır. beta bozunması Belirli bir nükleosentez bölümü sırasında kütlenin önemli bir bölümünün biriktiği nükleer türler, hızlı ışınımsal yakalamalarla daha fazla işleme geciktiği için nükleer bekleme noktaları olarak kabul edilir.

Vurgulandığı gibi, beta bozunmaları patlayıcı nükleosentezde meydana gelen en yavaş süreçlerdir. Nükleer fizik açısından, patlayıcı nükleosentez zaman ölçekleri, ilgili beta bozunma yarı ömürlerinin toplanmasıyla basitçe ayarlanır, çünkü diğer nükleer süreçler için zaman ölçeği, pratik olarak konuşmak gerekirse, bu zaman ölçeğine tipik olarak bir avuç dolusu bekleme noktası nükleer yarı ömrü.

r süreci

Hızlı nötron yakalama işlemi yaygın gerçekleşecek inanılan iken r-sürecinin astrofiziksel sitesi olsa da, çok yakın nötron damla hattına çalışmasına inanılır çekirdek çökmesi süpernova , bilinmemektedir. Nötron damlama hattı deneysel olarak çok zayıf bir şekilde belirlenirken ve kesin reaksiyon akışı tam olarak bilinmemekle birlikte, çeşitli modeller r-proses yolu boyunca çekirdeklerin yaklaşık 2 MeV'lik iki nötron ayırma enerjisine ( S 2n ) sahip olduğunu tahmin etmektedir. Bu noktanın ötesinde, daha fazla nötron yakalamadan önce meydana gelen beta bozunmasıyla, damlama hattının çevresinde stabilitenin hızla azaldığı düşünülmektedir. Aslında, son derece nötron bakımından zengin maddenin nükleer fiziği oldukça yeni bir konudur ve zaten, toplam yarıçapa yol açan çok dağınık bir nötron kabuğuna sahip olan 11 Li gibi inversiyon adası ve halo çekirdeklerinin keşfedilmesine yol açmıştır. karşılaştırılabilir 208 Pb. Bu nedenle, nötron damlama hattı ve r-süreci araştırmalarda çok yakından bağlantılı olmasına rağmen, hem teoriden hem de deneyden gelecek araştırmaları bekleyen bilinmeyen bir sınırdır.

rp -süreç

Hızlı proton yakalama işlemi de röntgen patlamaları bazı photodisintegration bekleyen yerlerin yakınında dışında proton damla çizgisinde çalışır. Buna 21 Mg, 30 S, 34 Ar, 38 Ca, 56 Ni, 60 Zn, 64 Ge, 68 Se, 72 Kr, 76 Sr ve 80 Zr çekirdekleri dahildir .

Ortaya çıkan açık bir nükleer yapı modeli, yukarıdaki tüm bekleme noktalarının çift sayıda protona sahip çekirdeklerde olduğu ve 21 Mg dışında hepsinin çift sayıda nötron içerdiği fark edildiğinden , eşleşmenin önemidir . Bununla birlikte, bekleme noktaları , nükleer belirsizlikler ile birlikte metallik , yığılma hızı ve hidrodinamik gibi X-ışını patlama modelinin varsayımlarına bağlı olacaktır ve yukarıda belirtildiği gibi, bekleme noktasının tam tanımı olmayabilir. bir çalışmadan diğerine tutarlıdır. Diğer patlayıcı nükleosentez işlemleriyle karşılaştırıldığında nükleer belirsizlikler olmasına rağmen, rp - işlemi deneysel olarak oldukça iyi sınırlandırılmıştır, örneğin, yukarıdaki tüm bekleme noktası çekirdekleri en azından laboratuvarda gözlemlenmiştir. Bu nedenle, nükleer fizik girdileri literatürde veya veri derlemelerinde bulunabileceğinden, Nükleer Astrofizik için Hesaplamalı Altyapı , kişinin çeşitli X-ışını patlama modellerinde işlem sonrası hesaplamalar yapmasına ve bekleme noktası için kriterleri aşağıdaki gibi tanımlamasına izin verir. herhangi bir nükleer parametreyi değiştirmenin yanı sıra.

X-ışını patlamalarındaki rp süreci, 64 Ge bekleme noktasını atlamakta güçlük çekebilirken , kesinlikle rp sürecinin kararlı olduğu X-ışını pulsarlarında , alfa bozunmasına karşı kararsızlık  , kütle üzerinde A = 100'e yakın bir üst sınır koyar . sürekli yanma ile ulaşılabilir. Kesin sınır, şu anda araştırılmakta olan bir konudur; 104-109 Te'nin alfa bozunmasına uğradığı bilinirken, 103 Sb protona bağlı değildir. A  = 100'e yakın sınıra ulaşılmadan önce bile , proton akışının önemli ölçüde azaldığı ve dolayısıyla düşük yakalama hızından ve kalay, antimon ve tellür izotopları arasındaki bir dönüşüm döngüsünden önce rp sürecini yavaşlattığı düşünülmektedir. tamamen sonlandırın. Bununla birlikte, yanma bölgesine önceki küllerin soğuması veya karışması bölümleri varsa, 126 Xe kadar ağır malzemenin oluşturulabileceği gösterilmiştir.

nötron yıldızları

Olarak nötron yıldızlı , nötron ağır çekirdekler çekirdek ve üretim nüfuz relativistik elektronlar olarak bulunan beta bozunması ters çekirdeğinde bir proton ile elektron birleştiren bir nötron ve bir elektron-nötrinoyu yapmak olup, burada:


P
 

e-
 
→ 
n
 

ν
e

Çekirdeklerde daha fazla nötron oluşturuldukça, nötronların enerji seviyeleri, bir nötronun geri kalan kütlesine eşit bir enerji seviyesine kadar doldurulur. Bu noktada, bir çekirdeğe giren herhangi bir elektron, çekirdekten "damlayacak" bir nötron yaratacaktır. Bu noktada elimizde:

Ve bu noktadan itibaren denklem

p F n , nötronun Fermi momentumu olduğunda geçerlidir . Nötron yıldızının derinliklerine indikçe serbest nötron yoğunluğu artar ve artan yoğunlukla birlikte Fermi momentumu arttıkça Fermi enerjisi artar, böylece en üst seviyeden daha düşük enerji seviyeleri nötron damlamasına ulaşır ve giderek daha fazla nötron çekirdekten damlar. böylece bir nötron sıvısında çekirdek elde ederiz. Sonunda tüm nötronlar çekirdekten damlar ve nötron yıldızının içindeki nötron sıvısına ulaştık.

Bilinen değerler

nötron damlama hattı

Nötron damlama hattının değerleri yalnızca hidrojenden neona ilk on element için bilinir. Oksijen için ( Z  = 8) maksimum bağlı nötron sayısı 16'dır ve 24 O'yu partiküle bağlı en ağır oksijen izotopu yapar. Neon için ( Z  = 10), en ağır parçacık kararlı izotop 34 Ne'de maksimum bağlı nötron sayısı 24'e yükselir . Flor ve neon için nötron damlama hattının konumu, 2017 yılında damlama hattının hemen ötesindeki izotopların gözlemlenmemesiyle belirlendi. Aynı deney, bir sonraki element olan sodyumun en ağır bağlı izotopunun en az 39 Na olduğunu buldu. Bunlar, yirmi yılı aşkın bir süredir nötron damlama hattındaki ilk yeni keşiflerdi.

Nötron damlama hattının, ortalama nötron-proton oranı 2,4 ile kalsiyumdan sonra beta kararlılık çizgisinden ayrılması bekleniyor . Bu nedenle, nötron damlama hattının çinko (damlama hattının N  = 60 civarında olduğu tahmin edilmektedir ) veya muhtemelen zirkonyum (tahmini N  = 88) ötesindeki elementler için ulaşamayacağı tahmin edilmektedir , çünkü bilinen hiçbir deneysel teknik teorik olarak oluşturma yeteneğine sahip değildir. daha ağır elementlerin damlama hattı izotoplarındaki proton ve nötronların gerekli dengesizliği. Gerçekten de, damlama hattının ötesinde olduğu hesaplanan 49 S, 52 Cl ve 53 Ar gibi nötron açısından zengin izotopların 2017-2019'da bağlı olarak rapor edilmiş olması, nötron damlama hattının betadan daha da uzakta olabileceğini gösteriyor. -Stabilite çizgisi tahmin edilenden daha fazla.

Aşağıdaki tablo, ilk on elementin partikül bağlı en ağır izotopunu listeler.

Z Türler
01 03 saat
02 08 O
03 011 Li
04 014 ol
05 017 B
06 022 C
07 023 N
08 024 O
09 031 F
10 034 Ne

Proton damlama hattı

Proton damlama hattının genel konumu iyi belirlenmiştir. Yeryüzünde doğal olarak bulunan ve tek sayıda protona sahip tüm elementler için, proton ayırma enerjisi sıfırdan küçük olan en az bir tür deneysel olarak gözlemlenmiştir. Kadar germanyum o noktadan sonra proton çift sayıda Bilindiği ile çok unsurunu damla hattının konumu, ama hiçbiri değerlendirdi nükleer verilere listelenmiştir. Nükleer eşleşme nedeniyle damlama hattının dışında 8 B ve 178 Au gibi partiküle bağlı türlerin bulunduğu birkaç istisnai durum vardır . Sihirli sayılara yaklaştıkça damlama hattının daha az anlaşıldığı da not edilebilir . Proton damlama hattının ötesinde olduğu bilinen ilk bağlanmamış çekirdeklerin bir derlemesi , Ulusal Nükleer Veri Merkezi'nden alınan proton sayısı, Z ve karşılık gelen izotoplarla birlikte aşağıda verilmiştir .

Z Türler
02 02 O
03 05 Litre
04 06 ol
05 07 B, 09 B
06 08
07 11 N
08 12 O
09 16 F
10 16 Ne
11 19 Na
12 19 mg
13 21 Al
15 25 P
17 30 Cl
18 30 Ar
19 34 bin
21 39 x
22 38 Ti
23 42 V
25 45 milyon
27 50 Co
29 55 Cu
30 54 çinko
31 59 Ga
32 58 Ge
33 65 olarak
35 69 Br
37 73 Rb
39 77 Y
41 81 Nb
43 85 Tc
45 89 Rh
47 93 Ag
49 97 İçinde
51 105 Sb
53 110 ben
55 115 C
57 119 La
59 123 Pr
61 128 Öğleden sonra
63 134 AB
65 139 yemek kaşığı
67 145 Ho
69 149 Tm
71 155 Lu
73 159 Ta
75 165 Yeniden
77 171 Ir
79 175 Au, 177 Au
81 181 Tl
83 189 Bi
85 195 'de
87 201 Fr
89 207 Ac
91 214 Pa
93 219 Np

Ayrıca bakınız

Referanslar