La desintegración de cúmulos , también denominada radiactividad de partículas pesadas , radiactividad de iones pesados o desintegración de cúmulos pesados , [1] es un tipo poco común 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 típico fragmento de fisión binaria . La fisión ternaria en tres fragmentos también produce productos del tamaño de un cúmulo. La pérdida de protones del núcleo padre lo convierte en el núcleo de un elemento diferente, el hijo, con un número másico Ad = A − A e y número atómico Z d = Z − Z e , donde A e = N e + Z y . [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 (consulte la tabla a continuación).
Ta y Tc son las vidas medias del núcleo original en relación con la desintegración alfa y la radiactividad del cúmulo, respectivamente.
La desintegración del cúmulo, al igual que la desintegración alfa, es un proceso de túnel cuántico: para ser emitido, el cúmulo debe atravesar una barrera potencial. Este es un proceso diferente a 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 necesario para la fisión, que sigue siendo un proceso fundamentalmente diferente desde el punto de vista mecánico.
En ausencia de pérdida de energía por la deformación y excitación de los 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 conservación del momento lineal
donde Ad es el número másico de la hija , Ad = A − A e .
La desintegración de los cúmulos existe 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 una cantidad variada de neutrones. La fisión espontánea termina con una distribución probabilística de productos hijos, lo que la distingue de la desintegración de cúmulos. En la desintegración de cúmulos de un radioisótopo determinado, la partícula emitida es un núcleo ligero y el método de desintegración siempre emite esta misma partícula. En el caso de los cúmulos con emisiones más intensas, prácticamente no existe diferencia cualitativa entre la desintegración del cúmulo 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 sólo se conocieron tres tipos de modos de desintegración nuclear ( alfa , beta y gamma ). Ilustran tres de las interacciones fundamentales en la naturaleza: fuerte , débil y electromagnética . La fisión espontánea se estudió 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. Esto fue descubierto alrededor de 1939 por Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann .
Hay muchos otros tipos de radiactividad, por ejemplo, desintegración de cúmulos, emisión de protones , diversos modos de desintegración beta retardada (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), isómeros de fisión , acompañados de partículas. fisión (ternaria), etc. La altura de la barrera potencial, principalmente de naturaleza de Coulomb, para la emisión de partículas cargadas es mucho mayor que la energía cinética observada de las partículas emitidas. La desintegración espontánea sólo puede explicarse mediante túneles cuánticos de 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 procedente del radio-223 realizada por HJ Rose y GA Jones en 1984.
— Encyclopædia Britannica, [4]
Generalmente la teoría explica un fenómeno ya observado experimentalmente. La desintegración de los 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 la fragmentación resolviendo una ecuación de Schrödinger con asimetría de masas 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 el modelo de capa asimétrico de dos centros [8] [9] niveles de energía como datos de entrada para la capa y correcciones de emparejamiento. Para calcular la energía de deformación macroscópica se han utilizado el modelo de gota de líquido [10] o el modelo exponencial de Yukawa plus [11] extendido a diferentes relaciones carga-masa [12] .
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 originales: 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 físicos de la Universidad de Oxford descubrieron que 223 Ra emite un núcleo de 14 C entre cada mil millones (10 9 ) de desintegraciones por emisión alfa.
El túnel cuántico se puede calcular extendiendo la teoría de la fisión a una asimetría de masa mayor o mediante partículas más pesadas emitidas a partir de la teoría de la desintegración alfa . [14]
Tanto el enfoque de fisión como el de tipo alfa pueden expresar la constante de desintegración , como un producto de tres cantidades dependientes del modelo.
donde es la frecuencia de ataques 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 las teorías tipo alfa, S es una integral superpuesta de la función de onda de los tres socios (padre, hijo y cúmulo emitido). En una teoría de la fisión, la probabilidad de preformación es la penetrabilidad de la parte interna de la barrera desde el punto de giro inicial Ri hasta el punto de contacto R t . [15] Muy frecuentemente se calcula utilizando la aproximación Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB).
Se consideró un número muy grande, 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 podría realizarse en un tiempo razonable utilizando el modelo ASAF desarrollado por Dorin N Poenaru , Walter Greiner y otros. El modelo fue el primero que se utilizó para predecir cantidades mensurables en la desintegración de los 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 vidas medias. Se han publicado tablas completas de vidas medias , relaciones de ramificación y energías cinéticas, por ejemplo, [16] [17] Se han calculado formas de barreras potenciales similares a las consideradas en el 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 usarse para describir de manera unificada la desintegración alfa fría, la desintegración de cúmulos y la fisión fría (ver figura 6.7, p. 287 de la Ref. [2]).
Se puede obtener con buena aproximación una curva universal (UNIV) para cualquier tipo de modo de desintegración de cúmulos con un número de masa Ae, incluida la desintegración alfa.
En una escala logarítmica, la ecuación log T = f(log P s ) representa una única línea recta que puede usarse convenientemente para estimar la vida media. Se obtiene una curva universal única para los modos de desintegración alfa y de desintegración de cúmulos expresando log T + log S = f(log P s ). [20] Los datos experimentales sobre la desintegración de cúmulos en tres grupos de núcleos padres par par, par-impar e impar-par se reproducen con precisión comparable mediante ambos tipos de curvas universales, UNIV y UDL de tipo fisión [21] derivadas utilizando Teoría de la matriz R tipo alfa.
Para encontrar la energía liberada
se puede utilizar la compilación de masas medidas [22] M, M d y Me de los núcleos padre, hijo y emitido, 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 descomposición de los cúmulos proviene de la necesidad de identificar algunos eventos raros en un contexto de partículas alfa. Las cantidades determinadas experimentalmente son la vida media parcial, Tc , y la energía cinética del cúmulo emitido Ek . También es necesario identificar la partícula emitida.
La detección de radiaciones se basa en sus interacciones con la materia, dando lugar principalmente a ionizaciones. Utilizando un telescopio semiconductor y electrónica convencional para identificar los 14 iones C, el experimento de Rose y Jones duró aproximadamente 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 (véase el capítulo 7 en la referencia [2] págs. 188-204), se pudo utilizar una fuente muy potente, de modo que se obtuvieron resultados. en un lapso de pocas horas.
Para superar esta dificultad se han utilizado detectores de pistas nucleares de estado sólido (SSNTD) insensibles a las partículas alfa y espectrómetros magnéticos en los que las partículas alfa son desviadas por un fuerte campo magnético. Los SSNTD son baratos y prácticos, pero necesitan grabado químico y escaneo microscópico.
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 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. Sólo 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, desintegración de 24,26 Ne de 232 Th y de 236 U, desintegración 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 del cúmulo son miembros de las tres familias radiactivas naturales. Otros deberían ser producidos por reacciones nucleares. Hasta ahora no se ha observado ningún emisor impar.
De muchos modos de desintegración con vidas medias y relaciones de ramificación relativas a la desintegración alfa predichas con el modelo analítico de fisión superasimétrica (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: por regla general, 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 grupo conocidas a partir de 2010 son las siguientes: [23] [24] [25]
La estructura fina de la radiactividad del 14 C del 223 Ra fue discutida por primera vez por M. Greiner y W. Scheid en 1986. [26] El espectrómetro superconductor SOLENO del IPN Orsay se utiliza desde 1984 para identificar cúmulos de 14 C emitidos por el 222 Ra. –224.226 núcleos de Ra. Además, se utilizó para descubrir [27] [28] la estructura fina que observa las transiciones a estados excitados de la hija. Una transición con un estado excitado de 14 C predicho en la Ref. [26] aún no se ha observado.
Sorprendentemente, los experimentadores habían visto una transición al primer estado excitado de la hija más fuerte que al estado fundamental. La transición se favorece si el nucleón desacoplado se deja en el mismo estado tanto en el núcleo padre como en el 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 original 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)