8. Протонная радиоактивность

    Испускание протонов из основного состояния ядра впервые наблюдалось для изотопов ¹⁴⁷Tm и ¹⁵¹Lu. Анализ масс протоноизбы­точных атомных ядер, расположенных вдали долины стабильности, позволяет указать область ядер, в которой можно наблюдать испускание протонов из основного состояния ядра. Для экспериментального наблюдения протонной радиоактивности 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

⁵⁸Ni + ⁹⁶Ru → ¹⁵⁴Hf → ¹⁵¹Lu + p +2n

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

¹⁵¹Lu(J^P = 11/2⁺) → ¹⁵⁰Yb(J^P = 0⁺) + p.

    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.
    Определение периода полураспада T_1/2(¹⁵¹Lu) = 80.6 мс оказалось довольно сложной задачей. 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. Известно свыше 30 изотопов, испускающих протоны из основного состояния ядер с Z > 50 от ¹⁰⁵Sb до ¹⁷⁷Tl. Наблюдение протонной радиоактивности является прямым указанием на то, что в этой области ядер проходит граница протонной радиоактивности. Как правило протонная радиоактивность приводит к образованию β-радиоактивных изотопов, которые затем распадаются последовательностью β⁺-распадов и е-захватов. Изучение каналов распада ядер вблизи границы протонной радиоактивности обнаруживает ряд интересных закономерностей.

1. Выявлены случаи, когда несколько легчайших изотопов данного химического элемента являются излучателями протонов (^108,109I, ^150,151Lu, ^145,146,147Tm) (таблица 8.1).
2. Выявлен случай, когда легчайший изотоп ¹⁰⁸I является α-излучателем, в то время как более тяжелый изотоп ¹⁰⁹I испускает протоны из основного состояния. Изотоп ¹¹⁰I также испускает α-частицы из основного состояния.

Таблица 8.1

Распады протоноизбыточных изотопов Tu (Z = 69) и Lu (Z = 71)

Испускание протонов из изомерного состояния

    Испускание протонов из изомерного состояния впервые было обнаружено на изотопе 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±15 мс и энергией протонов 1.59±0.03 МэВ. Отсутствие совпадений между протонами и позитронами исключало возможность испускания запаздывающих протонов.

Рис. 8.1. Протонная радиоактивность изомерного состояния ^53mCo

    Испускание протонов происходило из изомерного состояния ядра ^53mCo с энергией 3.19 МэВ спин-четность J^P = 19/2^- с образованием конечного ядра ⁵²Fe в основном состоянии J^P = 0⁺ (рис. 8.1). Основной вид распада из изомерного состояния ^53mCo − 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⁺).
    Изомерные состояния наиболее легко образуются в результате предшествующего β-распада. Для того, чтобы наблюдалось испускание протонов из изомерного состояния необходимо выполнение двух условий.

• Энергия возбужденного ядра (A,Z) в изомерном состоянии должна быть больше энергии отделения протона в этом ядре.
• Испускание протонов из изомерного состояния должно происходить быстрее, чем γ-переход из этого изомерного состояния.

Энергии отделения протонов B_p и α-частиц B_α
в изотопах Z = 11, Z = 51, Z = 91.

Распад изотопа ¹⁵¹Lu.

Каналы распада изотопа ¹⁵¹Lu

Протонная радиоактивность изотопов ^14,15,16F.

Распад изотопа ¹³O происходит как в результате е-захвата

¹³O + e^- → ¹⁴N + ν_e,

так и в результате испускания запаздывающих протонов

¹³O → ¹³N* + e⁺ + _e,  ¹³N* → ¹²C + p.

Протонная радиоактивность ²⁹Cl.

Распад изотопа ²⁸S происходит в результате

• е-захвата  ²⁸S + e^- → ²⁸P + ν_e,
• испускания запаздывающих протонов ²⁸S → ²⁸P* + e⁺ + _e, ²⁸P* → ²⁷Si + p.

Распад изотопа ²⁸P происходит в результате

• е-захвата ²⁸P + e^- → ²⁸Si + ν_e,
• испускания запаздывающих протонов ²⁸P → ²⁸Si* + e⁺ + _e, ²⁸Si* → ²⁷Al + p,
• испускание запаздывающих α-частиц ²⁸P → ²⁸Si* + e⁺ + _e, ²⁸Si* → ²⁴Mg + α.

Протонная радиоактивность изотопа ⁴²V.

Период полураспада изотопа ⁴²V T_1/2 < 55нс.

Изотоп ⁴¹Ti имеет два канала распада

• е-захват  ⁴¹Ti + e^- → ⁴¹Sc + ν_e,
• испускание запаздывающих протонов ⁴¹Ti → ⁴¹Sc* + e⁺ + _e, ⁴¹Sc* → ⁴⁰Ca + p.

Распад изотопа ¹⁰⁸I

Период полураспада ¹⁰⁸I T_1/2 = 36мс.

Протонная радиоактивность изотопа ¹⁰⁹I.

Период полураспада изотопа ¹⁰⁹I T_1/2 = 103 мкс

В результате протонного канала распада ¹⁰⁹I образуется изотоп ¹⁰⁸Te, дающий начало трём цепочкам распада.

• е-захват ¹⁰⁸Te + e^- → ¹⁰⁸Sb + ν_e,  (51%)
• α-распад ¹⁰⁸Te → ¹⁰⁸Sn + α, (49%)
• испускание запаздывающих протонов ¹⁰⁸Te → ¹⁰⁸Sb* + e⁺ + _e,  ¹⁰⁸Sb* → ¹⁰⁷Sn + p (2.4%).

Распад изотопа ¹¹⁰I.

Период полураспада изотопа ¹¹⁰I T_1/2 = 650 мкс