物理学者は最速のアルファ崩壊を見てきました

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ビデオ: 【高校物理】原子と原子核⑤α、β崩壊何回したか、考えるコツあります! 2022, 12月
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Anonim
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米国と英国の物理学者は、初めて実験的に、錫100核とアルファ粒子のテルル104核の半減期を実験的に測定しました。これは約18ナノ秒でした。これは実際に観測された最速のアルファ崩壊です。さらに、科学者の測定は、核の殻モデルの枠組みの中で実行された理論計算を確認します。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgのWebサイトに掲載されています。

1899年、アーネスト・ラザフォードは、放射性元素の原子核が荷電アルファ粒子(ヘリウム4原子核、完全に電子を欠いている)を放出することを発見しました。数年後、ハンス・ガイガーとジョン・ネットトールは、そのような粒子のエネルギーが、かなり単純な法則によって、原子核の半減期と原子番号に関連していることを発見しました。この法則を説明することができたのは、量子力学が構築された1928年だけでした。ジョージ・ガモフによって開発された理論によれば、アルファ崩壊は次のシナリオに従って発生します。まず、陽子と中性子が結合して原子核内でアルファ粒子になりますが、核力とクーロン力が生み出すポテンシャル障壁が高いため、アルファ粒子を離れることはできません。ただし、非常に低い確率で、粒子はこの障壁を通り抜けることができます。粒子がバリアの外側に出るとすぐに、粒子は核からはじかれ(両方の粒子は正に帯電します)、無限に飛んでいきます-崩壊が発生します。崩壊の確率は低く、粒子エネルギーは低く、バリアの幅と高さは大きくなります。核子が多いとバリアが高くなり、トンネリングの確率が低くなり、半減期が長くなります。

ただし、この推論には1つの微妙な点があります。崩壊確率を計算するには、核内にアルファ粒子が形成される確率と、ポテンシャル障壁をトンネリングする確率を掛ける必要があります。ポテンシャル障壁の形状がわかっていれば、2番目の確率はかなり簡単に計算できます。最初の確率を計算することははるかに困難です。これを行うには、アルファ粒子の形成の前後のシステムの波動関数を見つけて、それらの重なりの程度を推定する必要があります。このような推定には、核子が一般的なポテンシャルで発生するエネルギー準位(シェル)を順次満たす、原子核のシェルモデルを使用するのが最も便利です。残念ながら、そのような単純化の後でも、アルファ粒子形成の確率を理論的に計算することは非常に困難です。

それにもかかわらず、原子核内の陽子と核子の数が、原子核の殻がほぼ完全に満たされる「魔法数」に近い場合、計算は大幅に簡略化されます。この場合、核子は2つの部分に分割できます。核子の主な配列であり、密な球に集められます。また、核子の周りを回転して簡単に引き裂かれ、アルファ粒子に変わるいくつかの核子です。以前は、鉛208の「二重魔法」核(陽子82個、中性子126個)に崩壊するポロニウム212の原子核のこのような計算は、カルマン・ヴァルガが率いる科学者のグループによって実行されていました。それらの結果は、実験的に測定された確率とよく一致していたため、既存のアルファ崩壊理論の「テスト」と見なすことができます。

Dariusz Seweryniakが率いる科学者のグループは、この「テスト」を繰り返し、ポロニウム212の原子核をテルル104の原子核に置き換えました。これは、別の「二重魔法」の原子核であるスズ100(50陽子、50中性子)に崩壊します。残念ながら、テルル-104の崩壊は速すぎて、このプロセスを直接調査することはできません。核の予想半減期はわずか数ナノ秒であり、これは同位体がセパレーターを通過する時間の約100分の1です。そのため、物理学者は、鉄54とニッケル58の核が衝突したときに生まれ、テルル104とスズ100に連続して変化し、2つのアルファ粒子を放出するキセノン108の崩壊を研究しました。研究者らは、シリコン検出器で原子核の崩壊を観察することにより、これらの粒子のエネルギー、移動方向、および登録時間を測定しました。最後に、物理学者は、発生したプロセスを再構築し、粒子の半減期を計算し、観察されたデータを最もよく説明するように反応のパラメーターを「調整」しました。

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検出器によって記録された信号の例。白丸はキセノン-108とテルル-104の崩壊を示し、挿入図はこれらのイベントの確率分布を示しています。

その結果、科学者たちは、テルル-104核の半減期が約18ナノ秒であることを発見しました。これは、実際に観察された中で最も速いアルファ崩壊率です。言い換えれば、核内にアルファ粒子が形成される確率は、ポロニウム212での同様のプロセスの確率の少なくとも5倍です。これは、確率の5倍の増加を予測するシェルモデル内の確率計算とよく一致しています。同時に、複雑なエネルギーを持つシェルモデルのフレームワークでの計算では、はるかに低いゲインが予測されます。この記事の著者は、この不一致は、このモデルでは考慮されていなかった陽子-中性子相互作用の重要な役割を示している可能性があると考えています。

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ポロニウム212の確率と比較した、テルル-104およびキセノン-108のアルファ崩壊確率の最も可能性の高い値。実線はキセノン-108の最も可能性の高い値に対応し、破線は上限と下限の許容境界を設定し、塗りつぶされた領域は実験によって完全に除外されます。矢印はテルル-104の最も可能性の高い値を示しています

シェルモデルは原子核の形成を正しく記述し、最初のいくつかの「魔法数」の計算を可能にしますが、比較的軽い元素に対してはうまく機能します。たとえば、今年の2月、ニュージーランド、ノルウェー、米国の物理学者は、オガネソンの原子の核殻と電子殻(元素118)がぼやけて、フェルミガスになることを示しました。この元素の半減期は1ミリ秒未満であるため、科学者はこれらの特性を直接調査することはできませんでしたが、数値シミュレーションを使用して調査しました。さらに、2018年8月、CLASグループは、過剰な中性子を含む重い同位体の核内の陽子と中性子の間に短距離相関があることを確認しました。殻模型の枠内では説明できないこのような相関関係により、結合した中性子-陽子対が原子核内に形成され、原子核に電子が衝突すると超高速核子に変わります。

「ティックオアトック」テストでは、さまざまな物理プロセスの期間をどれだけ正確に見積もることができるかを確認できます。

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