Протоноизбыточные ядра

    Протоноизбыточные ядра расположены с левой стороны от долины стабильности. Для протоноизбыточных ядер граница Bp = 0 достаточно хорошо известна вплоть до Z = 83. Для получения протоноизбыточных ядер в основном используются следующие реакции.

1. Реакции многонуклонной передачи.
2. Реакции фрагментации налетающей частицы.
3. Расщепление ядер мишени высокоэнергетической налетающей частицей.
4. Реакции слияния.

Граница протонной стабильности

    Так как для большинства легких ядер (Z < 20) граница протонной стабильности проходит вблизи долины стабильности, легкие протоноизбыточные ядра получают в реакциях многонуклонной передачи. Характерные реакции (⁴He,⁸He), (³He,⁶He). Таким методом были получены ядра ⁶Be, ⁷B, ⁸C, ¹¹N, ¹²O и ряд других легких ядер, расположенных вблизи границы протонной стабильности. Использование более универсального метода - реакций фрагментации - продвинуло исследования в область более тяжелых ядер. На рис. 9.1 показан фрагмент N-Z диаграммы атомных ядер от Si (Z = 14) до Rh (Z = 45).

Рис. 9.1. Фрагмент N-Z диаграммы

Сплошной линией слева показана линия протонной стабильности и указаны ядра, полученные вблизи границы протонной стабильности. Различными значками показаны методы получения этих ядер. Видно, что для большинства элементов получены изотопы вплоть до границы стабильности. Аналогичная ситуация имеет место и в случае более тяжелых ядер. На рис. 9.2 показан участок N-Z диаграммы для ядер от Lu (Z = 71) до Po (Z = 91).

Рис.9.2. Фрагмент N-Z диаграммы

Темным цветом показаны стабильные ядра, серым - ядра, впервые полученные в экспериментах GSI. Как следует из данных этих экспериментов, для наиболее легких изотопов Bi, At, Fr, Ac с нечетным числом протонов энергии отделения протонов отрицательные (правый рис. 9.3). Т.е. для этих элементов получены изотопы, находящиеся за границей протонной стабильности. В то же время для соседних ядер с четным числом нейтронов энергия отделения протонов в ядрах с минимальным массовым числом для данного изотопа превышает 2 МэВ (левый рис. 9.3). Таким образом в настоящее время исследования в области протоноизбыточных ядер распространены за границу протонной стабильности. Наличие кулоновского барьера увеличивает время жизни ядерной системы с B_p < 0 до T > 10^-6 c, что делает возможным получение спектроскопической информации для таких несвязанных систем. Ядра, испускающие протоны из основного состояния, являются примером таких систем Они дают уникальную возможность для исследованеия явления ядерного квантового туннелирования в более чистом виде по сравнению с -распадом. Теоретические и экспериментальные исследования протонной радиоактивности открывают новые возможности для изучения узких резонансных состояний, распадающихся с испусканием протонов, изучения зависимости распада таких резонансных состояний от величины их орбитального момента. Следует также иметь в виду, что эти резонансы располагаются в области низкой одночастичной плотности, и поэтому могут быть выполнены детальные измерения для отдельных неперекрывающихся состояний.

Рис. 9.3. Энергии отделения протона

Особый интерес представляют деформированные ядра - излучатели протонов. Исследование конкуренции между испусканием протонов и -переходами дает дополнительную информацию о деформации атомных ядер и структуре ядерной поверхности.

Испускание протонов из изомерного состояния

    Испускание протонов из изомерного состояния впервые было обнаружено на ядре ⁵³Co. Изотоп ⁵³Co получался путем бомбардировки изотопа ⁵⁴Fe протонами, ускоренными до 53 МэВ в реакции ⁵⁴Fe(p,2n)⁵³Co. Была обнаружена протонная радиоактивность с периодом полураспада 243 ±  15мс и энергией протонов 1.59+ 0.03 Мэв. Отсутствие совпадений между протонами и позитронами исключало возможность испускания запаздывающих протонов.

Рис. 9.4. Протонная радиоактивность изомерного состояния 53mCo

    Испускание протонов происходило из изомерного состояния ядра ^53mCo с энергией 3.19 МэВ с образованием конечного ядра ⁵²Fe в основном состоянии (см рис. 9.4). Основной вид распада из изомерного состояния - β⁺-распад. Это происходит потому, что β⁺-распад ядра ^53mCo -сверхразрешенный, так как образующееся в результате β⁺-распада ядро ⁵³Fe является “зеркальным” по отношению к ⁵³Co. Доля распадов с испусканием протонов составляет около 1.5%, что соответствует парциальному периоду полураспада около 16 с. Учет только проницаемости кулоновского и центробежного барьеров приводит к периоду полураспада 10^-6 c. Фактор запрета 2·10⁸ связан с сильной перестройкой ядра, так как переход происходит между состояниями, сильно различающимися по спину (19/2^-0⁺).

Протонная радиоактивность

    Испускание протонов из основного состояния впервые наблюдалось для ядер ¹⁴⁷Tm и ¹⁵¹Lu. Анализ величин масс протоноизбыточных атомных ядер, расположенных вдали от устойчивых ядер, позволяет указать область масс ядер, в которой можно наблюдать испускание протонов из основного состояния ядра. Для экспериментального наблюдения этого явления было исследовано большое число изотопов, расположенных вблизи границы с нулевой энергией отделения протона. С этой целью различные стабильные изотопы от эрбия (Z = 68) до висмута (Z = 83) облучались ускоренными ионами ⁵⁸Ni и ⁹⁰Mo.
   В реакции, идущей с образованием составного ядра ¹⁵⁴Hf

в энергетическом спектре вылетающих частиц, была обнаружена монохроматическая линия с энергией 1.19 Мэв. Анализ результатов эксперимента показал, что наблюдаемую линию следует приписать распаду изотопа ¹⁵¹Lu с испусканием протона из основного состояния ядра

.

    Дополнительным аргументом в пользу подобной интерпретации результатов эксперимента являлось то, что ядро ¹⁵¹Lu имеет наименьшую энергию отделения протона среди всех возможных ядер, образующихся в результате распада составной системы с испусканием 3-х нуклонов. Измеренная величина энергии протонов хорошо согласуется с расчетами на основе массовых формул.
    Точное определение периода полураспада оказалось довольно сложной задачей. По последним данным T_1/2(¹⁵¹Lu) = 8.0 мс. Столь большая величина периода полураспада объясняется большой разницей в спинах основных состояний ядер ¹⁵¹Lu и ¹⁵⁰Yb, между которыми происходит переход с испусканием протона.
    В дальнейшем протонная радиоактивность была открыта у ядер ¹⁰⁹I и ¹¹³Cs. Использование методики кремниевых детекторов дало целую группу протонных излучателей в диапазоне Z = 69 - 75 ¹⁴⁶Tm, ¹⁵⁰Lu, ¹⁵⁶Ta и ¹⁶⁰Re. Сегодня известно свыше 30 изотопов, испускающих протоны из основного состояния ядер с Z > 50 от ¹⁰⁵Sb до ¹⁷⁷Tl. Открылись новые возможности для систематического исследования этого явления. Наблюдение протонной радиоактивности является прямым указанием на то, что в этой области ядер проходит протонная граница связанных состояний. Изучение каналов распада ядер вблизи границы протонной стабильности обнаруживает ряд интересных закономерностей.

1. Выявлены случаи, когда оба легчайших изотопа данного элемента являются излучателями протонов (^150,151Lu, ^146,147Tm).
2. Выявлен случай, когда легчайший изотоп ¹⁰⁸I является -излучателем, в то время как более тяжелый изотоп ¹⁰⁹I испускает протоны из основного состояния.

Поиск испускания дипротона ²He

    Эти особенности распада ядер в районе протонной drip-line дают дополнительную информацию о свойствах нуклон-нуклонного взаимодействия, силах p-p-спаривания, о нуклонных ассоциациях в ядрах. До сих пор не наблюдалось ни одного случая испускания дипротона - ²He из основного состояния ядра, несмотря на то, что поиск проводился довольно интенсивно. Так например, такие распады можно было бы ожидать в случае выполнения условия S_p > 0, а S_2p < 0. Были подозрения, что такая ситуация реализуется в ядре ³⁹Ti, однако поиски испускания дипротона дали отрицательный результат.

Рис. 9.5. Схемы распада 14O, 13N+p и 12С+2p

    В работе [C.R. Bain et al. Phys. Lett. B373, 1996, p.35] исследовался механизм двухпротонного распада возбужденного состояния ядра ¹⁴O (7.77 МэВ) (рис. 9.5). Это состояние образовывалось в реакции ¹³N(p,). Вопрос, на который следовало ответить,- по какому из двух возможных каналов происходит распад состояния ¹⁴O (7.77 МэВ).

То есть происходит ли испускание дипротона (²He) или реализуется последовательный распад с испусканием двух протонов. Для того, чтобы выбрать между этими двумя альтернативами, были измерены на совпадения спектры двух протонов и угловые корреляции между ними (рис. 9.6). Сплошной линией показана ожидаемая функция угловой корреляции в случае одновременного испускания двух протонов, пунктир соответствует случаю независимого последовательного испускания протонов. Экспериментальные данные однозначно свидетельствуют в пользу механизма последовательного испускания двух протонов.

Рис. 9.6. Функция угловой корреляции двух протонов распада 14O12C + p