Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 24 – vyšlo 14. června, ročník 22 (2024)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Exotický dvouprotonový rozpad jader

Adam Prášek

Když se řekne jaderný rozpad, asi si vybavíme zejména rozpady alfaAlfa rozpad – proces, při kterém se radioaktivní jádro posouvá ke stabilnější energetické konfiguraci emisí jádra ⁴He, tzv. alfa částice., betaBeta rozpad – β⁻: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β⁺: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino. a gamaGama rozpad – změna energetického stavu atomového jádra doprovázená emisí vysoce energetického fotonu.. Svět atomových jader je ale mnohem bohatší a existuje široká škála způsobů, jak se mohou jádra rozpadat. V dnešním bulletinu si řekneme něco o rozpadech doprovázených emisí dvou protonů – velice vzácném jevu, který souvisí se snahou jádra tvořit pevně vázané páry protonů a neutronů, podobně jako elektrony tvoří v supravodičích Cooperovy páryCooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s bosonovými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader.. Tato tendence se párovat je zodpovědná za strukturu mnohých haló jaderHaló jádra – zvláštní skupina jader s neobvyklou vnitřní stavbou. Na většinu z nich můžeme nahlížet jako na systém sestávající ze dvou složek: z jadérka a z haló tvořeného jedním nebo více slabě vázanými valenčními nukleony. U normálního jádra je jeho poloměr úměrný třetí odmocnině z počtu jeho nukleonů. Tato jednoduchá závislost ale u haló jader neplatí. Oblast, ve které se mohou slabě vázané valenční nukleony vyskytnout, odpovídá jádrům s daleko větším nukleonovým číslem., o nichž jsme mluvili v AB 32/2023. Ovlivňuje jadernou deformaci, kterou jsme se zabývali v AB 18/2023. Párová interakce je natolik významným jevem, že existuje řada modelů přímo založených na tomto jevu – například model interagujících bosonů IBM (Interacting Boson Model) nebo BCS teorieBCS teorie – na konci 50. let 20. století vytvořili John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer teorii supravodivosti založenou na myšlence párování elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce (fonon). Díky tomu se chovají jako koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT. Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku., která byla původně vyvinuta pro elektrony v supravodičích, ale později našla uplatnění i v jaderné fyzice.

Ilustrace jádra rozpadajícího se dvouprotonovou emisí

Jádro rozpadající se dvouprotonovou emisí. Tento velmi vzácný rozpadový mechanizmus je dán tím, že protony tvoří pevně vázaný pár, a proto je snazší je emitovat společně, než tento pár narušit emisí jednoho protonu. Zdroj: MSU/NSCL.

Proton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.

Haló jádra – zvláštní skupina jader s neobvyklou vnitřní stavbou. Na většinu z nich můžeme nahlížet jako na systém sestávající ze dvou složek: z jadérka a z haló tvořeného jedním nebo více slabě vázanými valenčními nukleony. U normálního jádra je jeho poloměr úměrný třetí odmocnině z počtu jeho nukleonů. Tato jednoduchá závislost ale u haló jader neplatí. Oblast, ve které se mohou slabě vázané valenční nukleony vyskytnout, odpovídá jádrům s daleko větším nukleonovým číslem.

Cooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s bosonovými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader.

Herbář jaderných rozpadů

Běžně se setkáváme se třemi typy rozpadů:

Gama rozpad – rozpad excitovaného stavu jádra. Tento rozpad odpovídá pouze poklesu energie jádra, nikoliv změně počtu protonů či neutronů. O tomto rozpadu, respektive o izomerechIzomery – chemické sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, ale lišící se prostorovým uspořádáním. V některých případech se izomery mohou lišit pouze orientací spinu některých atomů v molekule., tj. kvazistabilních jádrech, která podléhají jen pomalému gama rozpadu, jsme psali v AB 25/2023.

Beta rozpad – přeměna protonů na neutrony, nebo neutronů na protony v atomovém jádře. Protony a neutrony obsazují v jádře energetické hladiny jako elektrony v atomu. Pokud je v jádře mnohem více protonů než neutronů, může dojít ke snížení jeho energie β⁺ rozpadem protonu na neutron, pozitron a neutrino. Analogicky se v jádrech s přebytkem neutronů rozpadají neutrony β⁻ rozpadem na proton, elektron a antineutrino.

Alfa rozpad – emise alfa částice (jádra hélia ⁴He) atomovým jádrem. Kladně nabité protony se odpuzují a zvyšují energii jádra. Jádro může snížit energii emisí kladně nabité částice. Dva protony a dva neutrony (tvořící alfa částici) jsou k sobě pevně vázány, proto dochází k emisi alfa částice a nikoli jen protonu. O alfa částicích a jejich roli v struktuře jader jsme hovořili v AB 29/2023.

Existují však jádra, v nichž může docházet i k řadě exotičtějších rozpadů:

Protonová emise – emise protonu z jádra. V jádrech s přebytkem protonů jsou některé protony již slabě vázány a navíc není k dispozici dostatek neutronů pro emisi celé alfa částice, proto rozpad probíhá emisí jednotlivých protonů.

Neutronová emise – emise neutronu z jádra. Pro izotopy s velmi vysokým počtem neutronů jsou neutrony velmi slabě vázány. Situace je pak podobná jako pro protonovou emisi ovšem s tím rozdílem, že zde nevystupuje efekt elektrostatického odpuzování. Například v haló jádrech, o kterých byla řeč v AB 32/2023 a AB 36/2005, jsou neutrony tak slabě vázány, že jednoduše z jádra vlivem fluktuací vypadnou. Kromě toho často neutronová emise doprovází spontánní štěpení těžkých jader.

Dvouprotonová emise – emise dvojice protonů z jádra. V některých izotopech může dojít k tomu, že párová interakce mezi protony vede na emisi dvojice protonů namísto jediného. V jistém smyslu je možno na takový rozpad nahlížet jako na mezistupeň mezi protonovou emisí a alfa rozpadem.

Dvouneutronová emise – emise dvojice neutronů z jádra. Jedná se o podobný případ jako dvouprotonová emise, kdy párová interakce mezi neutrony vede na emisi dvojice neutronů.

Dvojný beta rozpad – přeměna dvou neutronů na dva protony, dva elektrony a dvě antineutrina. Pro některá jádra, například ⁷⁶Ge není energeticky možný beta rozpad, ale pouze dvojný beta rozpad.

Emise těžkých iontů – emise těžšího iontu z jádra, než je alfa částice. Proces je analogický alfa rozpadu. O tomto rozpadu a jeho důsledcích pro strukturu jader jsme hovořili v AB 29/2023.

Spontánní štěpení – samovolné rozdělení jádra na dvě menší jádra. Z jistého úhlu pohledu se jedná o extrémní verzi rozpadu emisí těžkých iontů. Jiný pohled je, že jej pro velmi těžká jádra způsobí silné elektrostatické odpuzování mezi protony, v jehož důsledku se jádro roztrhne.

Jednoprotonový a dvouprotonový rozpad

Protonový rozpad jader s malým množstvím neutronů představuje unikátní možnost, jak zjistit podrobnosti o nitru jader – takovýto proces je totiž dán strukturou jádra. První rozpad tohoto druhu byl nalezen v roce 1982 u jádra lutecia ¹⁵¹Lu a od té doby se pozorováním těchto rozpadů podařilo nashromáždit velké množství dat o struktuře jader v blízkosti hranice, za níž jsou další protony nevázané.

Protonovou radioaktivitu lze pozorovat zejména pro jádra s lichým počtem protonů – poslední proton je poměrně slabě vázán, a proto může snadno uniknout a způsobit rozpad jádra protonovou emisí. Pro jádra s extrémním přebytkem protonů může ale nastávat i dvouprotonová emise, při níž párová interakce znemožní emisi jednoho protonu, a tak dochází k jejich emisi ve dvojicích. K takovéto dvouprotonové emisi může dojít nejen u jader se sudým počtem protonů jako nikl ⁴⁸Ni a zinek ⁵⁴Zn, ale také u některých jader s lichým počtem protonů. U těchto jader zvyšuje pravděpodobnost dvouprotonové emise jejich deformace.

Dvouprotonová emise z jádra železa Fe 45

Dvouprotonová emise z jádra železa ⁴⁵Fe nasnímaná pomocí CCD kamery. Trajektorie iontu ⁴⁵Fe, který vstupuje do ionizační komory, je vodorovná čára, na jejímž konci vidíme stopy dvou protonů s energií asi 0,6 MeV. Zdroj: PRL/K. Miernik.

Klíčovou otázkou pro tyto rozpady bylo to, zda dochází k emisi tzv. diprotonu, tj. korelované dvojice dvou protonů, nebo emisi nekorelované dvojice protonů, nebo nejprve nastane emise jednoho protonu, a druhý proton, jehož vazba je oslabena tím, že již netvoří Cooperův pár, je emitován krátce poté.

V článku [2] z roku 2007 bylo provedeno měření tohoto rozpadu v jádře železa ⁴⁵Fe v ionizační komoře. V experimentu byla použita komora s 66 % hélia, 32 % argonu, 1 % dusíku a 1 % metanu. Emise protonů v této komoře způsobí ionizaci prostředí. Uvolněné elektrony se pak pohybují směrem k elektrodě, kde jsou detekovány. Následně jsou fotokatodou přeměněny na ultrafialové záření a po konverzi vlnové délky na tenké luminiscenční fólii jsou zaznamenány pomocí CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) kamery. Celkem se během devíti dnů podařilo detekovat 87 rozpadů dvouprotonovou emisí a 38 rozpadů β⁺ železa na jádro manganu ⁴⁵Mn, které se následně rozpadlo protonovou emisí. Poločas rozpadu ⁴⁵Fe v dvouprotonové emisi vychází na 3,7 ms. Výsledky experimentu jsou v souladu s předpokladem tříčásticového rozpadu ⁴⁵Fe na chrom ⁴³Cr a dva protony, a vyvracejí hypotézu o emisi diprotonu, nebo o postupné emisi dvou protonů.

Dalším zajímavým výsledkem je neočekávané pozorování dvouprotonového rozpadu izomeruIzomery – chemické sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, ale lišící se prostorovým uspořádáním. V některých případech se izomery mohou lišit pouze orientací spinu některých atomů v molekule. stříbra ^94mAg se spinemSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. 21 a poločasem rozpadu 0,93 s. O jaderných izomerech jsme informovali v AB 25/2023. Tento izotop s lichým počtem protonů i neutronů se rozpadá primárně jednoprotonovým rozpadem. Zdá se, že jeho dvouprotonový rozpad je urychlen výraznou deformací jádra. Izomer stříbra ^94mAg je zajímavý také tím, že se může rozpadat třemi mechanizmy: alfa rozpadem, protonovou emisí a dvouprotonovou emisí. Pravděpodobnost rozpadu emisí dvou protonů je 0,5 %. Podobným případem je i rozpad kryptonu ⁶⁷Kr, viz [3].

Velkou pravděpodobnost rozpadu emisí dvou protonů lze vysvětlit výraznou deformací jádra ^94mAg. Napravo je pravděpodobnost emise (šedá křivka) jako funkce úhlu mezi trajektorií protonu a osou symetrie jádra. Zdroj: [1].

Odkazy