La desintegración en cúmulos , también denominada radiactividad de partículas pesadas , radiactividad de iones pesados o desintegración en cúmulos pesados , [1] es un tipo raro de desintegración nuclear en la que un núcleo atómico emite un pequeño "cúmulo" de neutrones y protones , más que en una partícula alfa , pero menos que un fragmento de fisión binaria típico . La fisión ternaria en tres fragmentos también produce productos del tamaño de un cúmulo.
La pérdida de protones del núcleo padre lo transforma en el núcleo de un elemento diferente, el elemento hijo, con un número másico A d = A − A e y un número atómico Z d = Z − Z e , donde A e = N e + Z e . [2] Por ejemplo:
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. [3]
La relación de ramificación con respecto a la desintegración alfa es bastante pequeña (véase la tabla siguiente).
T a y T c son las vidas medias del núcleo original en relación con la desintegración alfa y la radiactividad del cúmulo, respectivamente.
La desintegración en cúmulos, al igual que la desintegración alfa, es un proceso de efecto túnel cuántico: para emitirse, el cúmulo debe atravesar una barrera de potencial. Se trata de un proceso diferente de la desintegración nuclear más aleatoria que precede a la emisión de fragmentos ligeros 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 necesariamente necesaria para la fisión, que sigue siendo un proceso fundamentalmente diferente desde el punto de vista mecanístico.
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 la conservación del momento lineal.
donde A d es el número de masa de la hija, A d = A − A e .
La desintegración en cúmulos se encuentra 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 un número variado de neutrones. La fisión espontánea termina con una distribución probabilística de productos hijos, lo que la distingue de la desintegración en cúmulos. En la desintegración en cúmulos para un radioisótopo dado, la partícula emitida es un núcleo ligero y el método de desintegración siempre emite esta misma partícula. Para cúmulos emitidos más pesados, prácticamente no hay diferencia cualitativa entre la desintegración en cúmulos y la fisión fría espontánea.
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 conocían tres tipos de modos de desintegración nuclear ( alfa , beta y gamma ). Estos ilustran tres de las interacciones fundamentales en la naturaleza: fuerte , débil y electromagnética . La fisión espontánea comenzó a estudiarse 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. Esta fue descubierta alrededor de 1939 por Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann .
Existen muchos otros tipos de radiactividad, por ejemplo, la desintegración en cúmulos, la emisión de protones , varios modos de desintegración beta retardada (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), isómeros de fisión , fisión acompañada de partículas (ternaria), etc. La altura de la barrera de potencial, principalmente de naturaleza coulombiana, para la emisión de partículas cargadas es mucho mayor que la energía cinética observada de las partículas emitidas. La desintegración espontánea solo puede explicarse mediante el efecto 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, intermedia entre la desintegración alfa y la fisión espontánea. La primera observación de radiactividad de iones pesados fue la de una emisión de carbono-14 de 30 MeV a partir del radio-223, realizada por HJ Rose y GA Jones en 1984.
— Enciclopedia Británica, [4]
Generalmente, la teoría explica un fenómeno ya observado experimentalmente. La desintegración de cúmulos es uno de los raros ejemplos de fenómenos predichos antes del descubrimiento experimental. Las predicciones teóricas se hicieron en 1980, [5] cuatro años antes del descubrimiento experimental. [6]
Se utilizaron cuatro enfoques teóricos: teoría de fragmentación mediante la resolución de una ecuación de Schrödinger con asimetría de masa como variable para obtener las distribuciones de masa de los fragmentos; cálculos de penetrabilidad similares a los utilizados en la teoría tradicional de desintegración alfa, y modelos de fisión superasimétrica, numéricos (NuSAF) y analíticos (ASAF). Los modelos de fisión superasimétrica se basan en el enfoque macroscópico-microscópico [7] utilizando las energías de nivel del modelo de capas asimétricas de dos centros [8] [9] como datos de entrada para las correcciones de capas y emparejamiento. Se ha utilizado tanto el modelo de gota de líquido [10] como el modelo Yukawa-plus-exponencial [11] extendido a diferentes relaciones carga-masa [12] 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 a partir de los siguientes núcleos progenitores: 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. [13]
El primer informe experimental se publicó en 1984, cuando los físicos de la Universidad de Oxford descubrieron que el 223 Ra emite un núcleo de 14 C por cada mil millones (10 9 ) de desintegraciones por emisión alfa.
El efecto túnel cuántico se puede calcular extendiendo la teoría de fisión a una asimetría de masa mayor o mediante partículas emitidas más pesadas a partir de la teoría de desintegración alfa . [14]
Tanto los enfoques de tipo fisión como los de tipo alfa pueden expresar la constante de desintegración como un producto de tres cantidades dependientes del modelo.
donde 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 teorías de tipo alfa, S es una integral de superposición de la función de onda de los tres socios (padre, hija y cúmulo emitido). En una teoría de fisión, la probabilidad de preformación es la penetrabilidad de la parte interna de la barrera desde el punto de giro inicial R i hasta el punto de contacto R t . [15] Muy frecuentemente se calcula utilizando la aproximación de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB).
Se consideró una gran cantidad, del orden de 10 5 , de combinaciones de cúmulos emitidos por los padres en una búsqueda sistemática de nuevos modos de desintegración . La gran cantidad de cálculos se pudo realizar en un tiempo razonable utilizando el modelo ASAF desarrollado por Dorin N Poenaru , Walter Greiner , et al. El modelo fue el primero en utilizarse para predecir cantidades mensurables en la desintegración de cúmulos. Se han predicho más de 150 modos de desintegración de cúmulos antes de que se haya informado de cualquier otro tipo de cálculos de semividas. Se han publicado tablas completas de semividas , relaciones de ramificación y energías cinéticas, por ejemplo [16] [17] Se han calculado formas de barrera potenciales similares a las consideradas dentro del modelo ASAF utilizando el método macroscópico-microscópico. [18]
Anteriormente [19] se demostró que incluso la desintegración alfa puede considerarse un caso particular de fisión fría . El modelo ASAF puede utilizarse para describir de manera unificada la desintegración alfa fría, la desintegración en cúmulos y la fisión fría (véase la figura 6.7, pág. 287 de la referencia [2]).
Se puede obtener con buena aproximación una curva universal (UNIV) para cualquier tipo de modo de desintegración de cúmulos con un número másico Ae, incluida la desintegración alfa.
En una escala logarítmica, la ecuación log T = f(log P s ) representa una única línea recta que se puede utilizar convenientemente para estimar la vida media. Una única curva universal para la desintegración alfa y los modos de desintegración en cúmulos resulta expresando log T + log S = f(log P s ). [20] Los datos experimentales sobre la desintegración en cúmulos en tres grupos de núcleos parentales par-par, par-impar e impar-par se reproducen con una precisión comparable mediante ambos tipos de curvas universales, UNIV tipo fisión y UDL [21] derivadas utilizando la teoría de la matriz R tipo alfa.
Para encontrar la energía liberada
Se puede utilizar la compilación de las masas medidas [22] M, M d y M e de los núcleos padre, hijo y emitido, donde c es la velocidad de la luz. El exceso de masa se transforma en energía según la fórmula de Einstein E = mc 2 .
La principal dificultad experimental para observar la desintegración de un cúmulo proviene de la necesidad de identificar unos pocos eventos raros en un contexto de partículas alfa. Las cantidades determinadas experimentalmente son la vida media parcial, T c , y la energía cinética del cúmulo emitido E k . También es necesario identificar la partícula emitida.
La detección de radiaciones se basa en sus interacciones con la materia, que dan lugar principalmente a ionizaciones. Utilizando un telescopio semiconductor y electrónica convencional para identificar los iones 14 C, el experimento de Rose y Jones duró unos seis meses para obtener 11 eventos útiles.
Con los espectrómetros magnéticos modernos (SOLENO y Enge-split pole), en el Laboratorio Nacional de Orsay y Argonne (ver cap. 7 en Ref. [2] pp. 188-204), se pudo utilizar una fuente muy fuerte, de modo que se obtuvieron resultados en unas pocas horas.
Para superar esta dificultad se han utilizado detectores de trazas nucleares de estado sólido (SSNTD) insensibles a las partículas alfa y espectrómetros magnéticos en los que las partículas alfa son desviadas por un campo magnético intenso. Los SSNTD son baratos y prácticos, pero requieren grabado químico y escaneo con microscopio.
P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti y sus colaboradores desempeñaron un papel clave en los experimentos sobre modos de desintegración de cúmulos realizados en Berkeley, Orsay, Dubna y Milán.
La región principal de los 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, desintegraciones de 24,26 Ne de 232 Th y de 236 U, desintegraciones de 28 Mg de 232,233,235 U, desintegración de 30 Mg de 237 Np y desintegración de 34 Si de 240 Pu y de 241 Am.
Algunos de los emisores de cúmulos pertenecen a las tres familias radiactivas naturales. Otros deberían producirse por reacciones nucleares. Hasta ahora no se ha observado ningún emisor impar-impar.
De los muchos modos de desintegración con vidas medias y proporciones de ramificación relativas a la desintegración alfa predichos con el modelo de fisión superasimétrica analítica (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: como regla, 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 clúster conocidas a partir de 2010 son las siguientes: [23] [24] [25]
La estructura fina en la radiactividad de 14 C de 223 Ra fue discutida por primera vez por M. Greiner y W. Scheid en 1986. [26] El espectrómetro superconductor SOLENO del IPN Orsay se ha utilizado desde 1984 para identificar cúmulos de 14 C emitidos desde núcleos de 222–224,226 Ra. Además, se utilizó para descubrir [27] [28] la estructura fina observando transiciones a estados excitados de la hija. Una transición con un estado excitado de 14 C predicha en la Ref. [26] aún no se había observado.
Sorprendentemente, los investigadores observaron que la transición al primer estado excitado del núcleo hijo era más intensa que la del estado fundamental. La transición se favorece si el nucleón desacoplado se deja en el mismo estado en ambos núcleos, padre e hijo. De lo contrario, la diferencia en la estructura nuclear supone un gran obstáculo.
Se confirmó la interpretación [29] : el componente esférico principal de la función de onda principal deformada tiene un carácter i 11/2 , es decir, el componente principal es esférico.
![{\displaystyle Q=[M-(M_{d}+M_{e})]c^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6b6a73f0a61276652d2ec36105a3022ebd4c60bd)