핵 드립 라인

Nuclear drip line
탄소 대 불소의 핵종 차트.붕괴 모드:
양성자 방출
양전자 방출 또는 전자 포획
안정 동위원소
베타 붕괴
중성자 방출
핵물리학
NuclearReaction.svg
핵·핵자(p, n)·핵물질·핵력·핵구조·핵반응
핵 모형
액체 방울 · 핵셸 모형 · 상호작용 보손 모형 · Ab initio
핵종 분류
동위원소 – Z 등가
Isobars – 동등 A
아이소톤 – N 등가
Isodiaphers – 동일 N - Z
이성질체 – 위의 모든 것과 동일
거울핵 – Z ↔ N
안정·매직·짝수/홀수·헤일로(보롬어)
핵안정성
결합 에너지 · p-n비 · 드립 라인 · 안정의 섬 · 안정의 계곡 · 안정 핵종
방사성 붕괴
알파α·베타β(2β(0v, β+)·K/L포착·이성질체(감마δ·내부 변환)·순간 핵분열·클러스터 붕괴·중성자 방출·프로톤 방출
핵분열
자발적·제품(페어 브레이킹)·사진
프로세스 캡처
전자(2×) · 중성자(s · r) · 양성자(p · rp)
고에너지 프로세스
파쇄(우주선에 의한) · 광집적
핵합성 및
핵천체물리학
핵융합
프로세스:스타·빅뱅·초신성
핵종 : 원시·코스모제닉·인공
고에너지 핵물리학
쿼크-글루온 플라즈마 · 오른쪽 · LHC
과학자
알바레즈 · 베크렐 · 베테 · A. 보어 · N. 보어 · 채드윅 · 콕크로프트 · 퀴리 · 퀴리 부인 · 파이 퀴리 · 스크워도프스카 퀴리 · 데이비슨 · 페르미 · 한 · 젠센 · 로렌스 · 메이어 · 마이트너 · 올리판트 · 오펜하이머 · 프로카 · 퍼셀 · 라비 · 러더퍼드 · 소디 · 스트라스만 · 【Wiąteckckckckte】 · 실라드 · 텔러 · 톰슨 · 월튼 · 위그너

핵 드립 라인은 양성자나 중성자의 방출에 의해 원자핵이 붕괴되는 경계선이다.

양성자와 중성자의 임의 조합이 반드시 안정적인 핵을 만들어 내는 것은 아니다.주어진 핵에 한 가지 유형의 핵자를 추가함으로써 핵종 테이블을 가로질러 위로 이동하거나 오른쪽으로 이동하는 것을 생각할 수 있다.하지만, 주어진 핵에 한 번에 하나씩 핵자를 추가하는 것은 결국 양성자(또는 중성자)를 방출함으로써 즉시 붕괴되는 새로운 핵으로 이어질 것이다.구어체로 말하면, 핵자가 누출되거나 핵에서 떨어지면서 드립 라인이라는 용어가 생겨났습니다.

드립 라인은 양성자 대 중성자 비율의 극단에서 양성자와 중성자에 대해 정의된다. 드립 라인 또는 그 이상의 p:n 비율에서는 결합된 핵이 존재할 수 없다.양성자 드립 라인의 위치는 많은 원소로 잘 알려져 있지만 중성자 드립 라인의 위치는 [1]네온까지 원소로만 알려져 있다.

개요

핵 안정성은 안정성의 계곡이라고도 불리는 핵종 도표로 기술된 양성자와 중성자의 조합으로 제한된다.이 계곡의 경계는 중성자가 풍부한 쪽의 중성자 드립 선과 양성자가 풍부한 [2]쪽의 양성자 드립 선입니다.이러한 한계는 입자 붕괴로 인해 존재하며, 이로 인해 발열성 핵 전환은 하나 이상의 핵자의 방출에 의해 발생할 수 있다(입자 물리학에서의 입자 붕괴와 혼동해서는 안 된다).따라서 드립라인은 양성자 [2]또는 중성자 분리 에너지가 음이 되는 경계로 정의되어 새로 형성된 결합계로부터의 입자 방출에 유리할 수 있다.

허가된 이행

특정 핵변환, 반응 또는 붕괴가 에너지적으로 허용되는지 여부를 고려할 때, 초기 핵/핵의 질량을 합산하고 그 값에서 생성물 입자의 질량의 합을 빼면 된다.결과 또는 Q-값이 양이면 변환이 허용되거나 에너지가 방출되기 때문에 발열이 가능하며, Q-값이 음의 양이면 변환이 진행되기 전에 적어도 그 만큼의 에너지가 시스템에 추가되어야 하므로 흡열성이 됩니다.예를 들어 탄소의 가장 일반적인 동위원소인 C가 B로 양성자 방출을 받을 수 있는지 여부를 판단하려면 이 과정이 [3]허용되려면 시스템에 약 16 MeV를 추가해야 한다.모든 핵변환을 설명하는 데 Q-값을 사용할 수 있지만, 입자 붕괴의 경우 입자 분리 에너지량 S도 사용되며, 이는 Q-값의 음수와 같다.즉, 양성자 분리 에너지p S는 단일 양성자를 제거하기 위해 주어진 핵에 얼마나 많은 에너지가 추가되어야 하는지를 나타낸다.따라서 입자 드립 라인은 입자 분리 에너지가 0 이하인 경계를 정의하여 해당 입자의 자발적 방출이 에너지적으로 [4]허용된다.

드립 라인의 위치는 입자 분리 에너지가 음이 되는 경계로 잘 정의되어 있지만, 핵 또는 무한 공명을 구성하는 것의 정의는 [2]명확하지 않다.드립 라인 너머의 일부 알려진 가벼운 원소의 원자핵은 수명에 따라 10초−22 단위로 붕괴한다. 이것은 때때로 이 시간 [4]척도에 몇 가지 기본적인 핵 프로세스(진동 및 회전 등)가 발생하기 때문에 핵 존재의 한계로 정의된다.더 무거운 원자핵의 경우, 더 강한 쿨롱 장벽으로 인해 입자 방출 반감기가 상당히 길어질 수 있으며 알파와 베타 붕괴와 같은 다른 전이가 대신 일어날 수 있습니다.관찰할 수 있을 만큼 수명이 긴 핵이 입자 방출 시간 척도보다 훨씬 오래 존재하고 결합되어 [2]있기 때문에 드립 라인의 명확한 결정을 어렵게 한다.따라서 입자 비결합 핵은 직접 관측하기 어렵고 대신 붕괴 [4]에너지를 통해 확인된다.

드립라인의 핵구조 원점

핵에 있는 핵자의 에너지는 그것의 휴식 질량 에너지에서 결합 에너지를 뺀 것이다.이것 외에도, 퇴행성 때문에 에너지가 있다: 예를 들어, 모든 낮은 에너지 상태가 채워지면 에너지1 E를 가진 핵자는 더 높은 에너지2 E로 강제될 것이다.이것은 핵자가 페르미온이고 페르미-디락 통계를 따르기 때문이다.이 핵자를 더 높은 에너지 레벨로 만드는 작업은 압력, 즉 퇴행성 압력으로 귀결됩니다.유효 결합 에너지 또는 페르미 에너지가 [5]0에 도달하면, 새로운 핵자가 음의 유효 결합 에너지를 가질 것이기 때문에, 같은 이소스핀의 핵자를 핵에 추가하는 것은 불가능하다. 즉, 핵자가 핵 밖에서 생성되는 것이 더 에너지적으로 유리하다(시스템은 전체 에너지가 가장 낮다).이것은 그 종의 입자 방울 지점을 정의합니다.

1 입자 및 2 입자 드립 라인

많은 경우 드립 라인을 따라 있는 핵종은 인접하지 않고, 소위 말하는 1입자 및 2입자 드립 라인에 의해 분리됩니다.이는 짝수 핵종을 가진 핵종이 인접한 홀수 핵종보다 일반적으로 더 높은 결합 에너지를 가지고 있기 때문에 결합 에너지에 영향을 미치는 짝수 및 홀수 핵종의 결과이다.이러한 에너지 차이는 홀수 Z 또는 홀수 N핵종에 1 입자 드립 라인을 발생시키며, 이 경우 해당 핵종 및 드립 라인 [5]바깥에 있는 다른 모든 홀수 핵종에서 즉각적인 양성자 또는 중성자 방출이 에너지적으로 유리하다.단, 1입자 드립 라인 밖에 있는 다음 짝수 핵종은 2입자 분리 에너지가 음이 아닌 경우 입자가 안정되어 있을 수 있다.이는 2입자 분리 에너지가 1입자 분리 에너지보다 항상 크고 덜 안정적인 홀수 핵종으로의 이행이 에너지적으로 금지되기 때문에 가능하다.따라서 2 입자 드립 라인은 2 입자 분리 에너지가 음이 되는 곳에서 정의되며,[5] 종의 입자 안정성을 위한 가장 바깥쪽 경계를 나타낸다.

1중성자와 2중성자 드립 라인은 네온까지 실험적으로 결정되었지만,[2] 결합되지 않은 홀수 N 동위원소는 마그네슘까지 모든 원소에 대해 비관측을 통해 알려지거나 추론된다.예를 들어 마지막 결합 홀수-N 불소 동위원소는 [6]F이지만 마지막 결합 짝수-N 동위원소는 [1]F이다.

링거 라인 근처의 핵은 지구상에서 흔치 않다.

자연발생 방사능의 3가지 유형(α, β, β) 중 알파 붕괴만이 핵강력에 의한 붕괴 유형이다.다른 양성자와 중성자 붕괴는 원자종의 수명 훨씬 이전과 지구가 형성되기 전에 일어났다.따라서 알파 붕괴는 입자 붕괴의 한 형태로 간주되거나, 덜 빈번하게, 특별한 핵분열 사례로 간주될 수 있다.핵 강력의 시간 척도는 핵 약력이나 전자기력보다 훨씬 빠르기 때문에 드립 라인을 통과하는 핵의 수명은 일반적으로 나노초 이하이다.알파 붕괴의 경우 핵의 알파 클러스터가 볼 수 있는 높은 쿨롱 장벽 때문에 양성자나 중성자 방출보다 시간 척도가 훨씬 길어질 수 있다(알파 입자는 장벽을 통과해야 한다).그 결과, 지구에는 양성자나 중성자 방출을 겪는 자연적으로 발생하는 핵이 없다. 하지만, 그러한 핵은 예를 들어 가속기가 있는 실험실이나 [citation needed]별에서 자연적으로 생성될 수 있다.미시간 주립 대학의 희귀 동위원소 빔 시설(FRIB)은 2022년 중반에 가동되었으며 빔에서 추출되어 연구에 사용될 새로운 방사성 동위원소 빔을 만들 예정이다.그것은 매질을 통해 비교적 안정적인 동위원소 빔을 실행하는 과정을 이용하는데, 이것은 핵을 교란시키고 수많은 새로운 핵을 만들어내고,[7] 그 후에 추출된다.

핵합성

폭발적 천체물리 환경은 종종 씨앗 핵에서 포착될 수 있는 매우 큰 고에너지 핵자를 가지고 있습니다.이러한 환경에서 방사 양성자 또는 중성자 포획은 베타 붕괴보다 훨씬 더 빠르게 발생할 것이며, 현재 큰 중성자속과 고에너지 양성자를 모두 가진 천체물리학적 환경이 알려져 있지 않기 때문에, 반응 흐름은 베타 안정성에서 중성자 또는 양성자 드립 라인으로 또는 중성자 드립 라인으로 각각 진행됩니다.하지만, 일단 핵이 드립 라인에 도달하면, 우리가 보았듯이, 그 종의 핵자는 더 이상 특정 핵에 첨가될 수 없으며, 더 이상의 핵자 포획이 일어나기 전에 핵은 먼저 베타 붕괴를 겪어야 합니다.

포토 통합

드립 라인은 핵합성에 궁극적인 경계를 부과하지만, 고에너지 환경에서는 드립 라인이 광분해에 의해 도달하기 전에 연소 경로가 제한될 수 있다. 여기서 고에너지 감마선은 핵자를 핵에서 떨어뜨린다.같은 핵은 핵자와 광자의 플럭스의 영향을 받기 때문에 특정 핵종에서 질량이 축적되는 평형에 도달한다.

광자욕은 일반적으로 플랑크 분포에 의해 설명되기 때문에 높은 에너지 광자는 덜 풍부하기 때문에 핵자 분리 에너지가 드립 라인을 향해 0에 가까워지기 전까지는 광분할이 유의하지 않을 것이다. 여기서 낮은 에너지 감마선에 의해 광분할이 유도될 수 있다.109 Kelvin에서 광자 분포는 [8]3 MeV 미만의 입자 분리 에너지를 가진 모든 핵에서 핵자를 제거하기에 충분하지만 어떤 핵이 존재하는지 알기 위해서는 경쟁하는 방사선 포획도 고려해야 한다.

중성자 포획은 어떤 에너지 상태에서도 진행될 수 있기 때문에 중성자 광분할은 더 높은 에너지를 제외하고는 중요하지 않다.그러나, 쿨롱 장벽에 의해 양성자 포획이 억제됨에 따라, 낮은 에너지에서 하전 입자 반응을 위한 단면은 크게 억제되고, 양성자 포획이 발생할 가능성이 큰 높은 높은 에너지 상태에서는 종종 발생하는 양성자 포획과 광분해 사이에 경쟁이 있다.그러나 양성자 드립 라인이 중성자 드립 라인보다 베타 입자 계곡에 비교적 가깝기 때문에 일부 환경에서는 핵 합성이 어느 하나의 핵자 드립 [citation needed]라인까지 진행될 수 있다.

대기 포인트 및 시간 척도

광분열이나 드립 라인 중 하나에서 방사포착을 더 이상 진행할 수 없는 경우, 더 높은 질량에 대한 추가 핵처리는 He와 같은 무거운 핵과의 반응을 통해 이 핵을 우회하거나 베타 붕괴를 더 자주 기다려야 한다.특정 핵합성 과정에서 질량의 상당 부분이 축적되는 핵종은 빠른 방사선 포착에 의한 추가 처리가 지연되기 때문에 핵 대기점으로 간주된다.

이미 강조했듯이, 베타 붕괴는 폭발적 핵합성에 있어 가장 느린 과정이다.핵물리학적 측면에서 폭발적 핵합성 시간 척도는 [9]관련된 베타 붕괴 반감기를 합산함으로써 설정된다. 왜냐하면 다른 핵 프로세스의 시간 척도는 실질적으로 말해서 일반적으로 소수의 대기점 핵 반감기의 합계가 지배적이기 때문이다.

r-프로세스

고속 중성자 포획 과정은 중심핵 붕괴 초신성에서 일어나는 것으로 널리 알려져 있지만, R-과정 천체물리학적 위치는 알려지지 않았지만 중성자 드립 라인에 매우 가깝게 작동하는 것으로 여겨진다.중성자 드립 라인은 실험적으로 매우 불충분하고 정확한 반응 흐름은 알려지지 않았지만, 다양한 모델은 r-공정 경로를 따라 핵이 약 2 MeV의 2 중성자 분리 에너지(S2n)를 가질 것으로 예측한다.이 지점을 넘어서면 중성자 [10]포획 전에 베타 붕괴가 일어나면서 드립 라인 근처에서 안정성이 급격히 저하될 것으로 생각된다.사실, 중성자가 매우 풍부한 물질의 핵물리학은 상당히 새로운 주제이며, 이미 Ri와 같은 반전 섬과 헤일로 핵의 발견을 이끌어 냈는데, 이것은 [clarification needed]Pb에 버금가는 총 반지름의 매우 확산된 중성자 표면을 가지고 있다.따라서, 중성자 적하선과 r-과정은 연구에서 매우 밀접하게 연관되어 있지만, 이론과 실험 모두에서 미래 연구를 기다리는 미지의 개척지입니다.

rp 프로세스

X선 버스트의 신속한 양성자 포획 프로세스는 일부 광통합 대기 지점 근처를 제외하고 양성자 드립 라인에서 실행된다.원자핵 Mg, S, Ar, Ca, Ni, Zn, Ge, Se, Kr, Sr,[11][12] Zr을 포함한다.

위의 모든 대기점이 짝수 양성자를 가진 원자핵에 있고, Mg를 제외한 모든 원자핵도 짝수 중성자를 가지고 있다는 것을 알 수 있기 때문에 나타나는 분명한 핵 구조 패턴은 쌍성의 중요성이다.그러나 대기점은 핵 불확실성과 함께 금속성, 강착률, 유체역학 등의 X선 폭발 모델의 가정에 따라 달라지며, 위에서 언급한 것처럼 대기점의 정확한 정의는 한 연구에서 다음 연구로 일관되지 않을 수 있다.핵의 불확실성이 있지만, 다른 폭발적 핵합성 과정과 비교했을 때, rp-과정은 실험적으로 상당히 잘 제약된다. 예를 들어, 위의 모든 대기점 핵이 최소한 실험실에서 관찰되었다.따라서 핵물리 입력은 문헌이나 데이터 편집에서 찾을 수 있으므로 핵천체물리 계산 인프라스트럭처는 다양한 X선 폭발 모델에 대한 후처리 계산을 수행하고 대기점에 대한 기준을 스스로 정의하며 핵 파라미터를 변경할 수 있다.

X선 버스트의 rp-프로세스가 Ge 대기점을 [12]우회하는 데 어려움을 겪을 수 있지만, 특히 rp-프로세스가 안정적인 X선 펄스에서는 알파 붕괴에 대한 불안정성으로 인해 연속 [13]연소를 통해 도달할 수 있는 질량의 A = 100 근처에 상한이 배치된다.정확한 한계는 현재 조사 중인 사항이다.104–109Te는 알파 붕괴를 겪는 반면 Sb는 양성자 [6]비결합이다.A = 100 근처 한계치에 도달하기 전에도 양성자 플럭스는 낮은 포획 속도와 추가 양성자 포획 시 주석, 안티몬 및 텔루 동위원소 간의 변환 사이클이 모두 [14]종료되기 전에 상당히 감소하여 rp-프로세스가 느려지는 것으로 생각된다.그러나 냉각되거나 이전의 재가 연소대에 혼합되는 증상이 있으면 Xe와 같은 무거운 물질이 [15]생성될 수 있는 것으로 나타났다.

중성자별

중성자별에서 중성자 중핵은 상대론적 전자가 핵에 침투하여 역 베타 붕괴를 일으키기 때문에 발견되며, 여기서 전자는 핵의 양성자와 결합하여 중성자 및 전자-중성자를 만든다.


p
. 		+
이−
 		→
n
 		+
ν
e

핵에서 점점 더 많은 중성자가 생성됨에 따라 중성자의 에너지 수준은 중성자의 나머지 질량과 동일한 에너지 수준까지 채워집니다.이 시점에서 핵을 관통하는 모든 전자는 중성자를 만들어 핵에서 "떨어지게" 될 것이다.현시점에서는,[citation needed] 다음과 같은 것이 있습니다.

그리고 이 시점부터 방정식은

여기서 p는Fn 중성자의 페르미 운동량이다.중성자별에 깊숙이 들어갈수록 자유 중성자 밀도가 높아지고 밀도가 높아질수록 페르미 에너지가 증가하여 최상위 레벨보다 낮은 에너지 수준이 중성자 방울에 도달하고 점점 더 많은 중성자가 핵에서 떨어져 나와 중성자 유체 안에 핵이 생깁니다.결국 모든 중성자가 핵에서 떨어져 나와 중성자별 내부의 중성자 액체에 도달했다.

알려진 값

중성자 적하선

중성자 드립 라인의 값은 처음 10개의 원소, 즉 수소에서 [16]네온까지만 알려져 있습니다.산소(Z = 8)의 경우 결합 중성자의 최대 수는 16으로 O가 입자 결합 산소 [17]동위원소 중 가장 무겁다.네온(Z = 10)의 경우, 최대 결합 중성자 수는 가장 무거운 입자 결합 동위원소 Ne에서 24개로 증가한다.불소와 네온에 대한 중성자 드립 라인의 위치는 드립 라인 바로 너머의 동위원소 비관측으로 2017년에 결정되었다.같은 실험에서 다음 원소인 나트륨의 가장 무거운 결합 동위원소는 적어도 [18]Na이다.이것들은 20년 만에 중성자 [1]점적선을 따라 발견된 최초의 새로운 발견이었다.

중성자 드립 라인은 평균 중성자 대 양성자 비율이 2.[2]4인 칼슘 이후 베타 안정성 라인에서 분리될 것으로 예상된다.따라서 중성자 드립 라인은 아연(N = 60 정도로 추정) 또는 지르코늄(N = 88 정도로 추정)을 넘어서는 원소에 도달할 수 없을 것으로 예측된다. 이는 이론적으로 더 무거운 원소의 드립 라인에서 양성자와 중성자의 불균형을 만들 수 있는 알려진 실험 기법이 없기 때문이다.실제로 2017-2019년에는 드립 라인을 벗어난 것으로 계산한 S, Cl, Ar과 같은 중성자가 풍부한 동위원소가 결합된 것으로 보고되었으며, 이는 중성자 드립 [19]라인이 베타 안정 라인에서 예상보다 더 멀리 떨어져 있을 수 있음을 나타낸다.[2]

아래 표는 처음 10개의 원소 [20]중 가장 무거운 입자 결합 동위원소를 나열한 것이다.

Z 종.
01 03H
02 08그는
03 011리
04 014있다
05 017B.
06 022C.
07 023N
08 024오
09 031에프
10 034네

모든 가벼운 동위원소가 결합되어 있는 것은 아닙니다.예를 들어, Na는 구속되어 있지만, Na는 [1]구속되어 있지 않다.또 다른 예로, 비록 그와 그는 묶여있지만, 그와 그는 묶여있지 않다.

양성자 적하선

양성자 적하 라인의 일반적인 위치가 잘 확립되어 있다.지구상에서 자연적으로 발생하며 홀수 수의 양성자를 가진 모든 원소에 대해 양성자 분리 에너지가 0보다 작은 종을 하나 이상 실험적으로 관찰했다.게르마늄까지, 짝수 수의 양성자를 가진 많은 원소에 대한 드립 라인의 위치는 알려져 있지 않지만, 평가된 핵 데이터에는 그 지점을 지나는 것이 없다.B나 [verification needed]Au와 같이 핵쌍으로 인해 드립 라인 외부에 입자 결합 종이 존재하는 예외적인 경우가 몇 가지 있다.매직 넘버에 가까워지면 드립 라인이 잘 이해되지 않는다는 것도 알 수 있다.양성자 적하선 너머에 존재하는 것으로 알려진 최초의 결합되지 않은 핵의 집계가 아래에 제시되며, 양성자 수, Z 및 해당 동위원소의 수는 국가 원자력 데이터 센터에서 [21]수집된다.

Z 종.
02 02그는
03 05리
04 06있다
05 07B, 09B
06 08C.
07 11N
08 12오
09 16에프
10 16네
11 19나
12 19Mg
13 21알
15 25P.
17 30클론
18 30아르[22]
19 34K.
21 39스케이
22 38티[23]
23 42브이
25 45Mn
27 50회사
29 55쿠
30 54Zn[24]
31 59가
32 58ge
33 65로서
35 69브르
37 73Rb
39 77Y.
41 81Nb
43 85Tc
45 89Rh
47 93아그
49 97인
51 105Sb
53 110나
55 115Cs
57 119라
59 123PR
61 128Pm
63 134에우
65 139Tb
67 145호
69 149Tm
71 155루
73 159타
75 165레
77 171Ir
79 175오, 오
81 181Tl
83 189Bi
85 195앳
87 201프루
89 207AC
91 214빠
93 219Np[25]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d Tarasov, O.B. (2017). "Production of very neutron rich isotopes: What should we know?".
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