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原子核物理学 第3講 原子核の存在範囲と崩壊様式

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1 原子核物理学 第3講 原子核の存在範囲と崩壊様式
原子核物理学 第3講 原子核の存在範囲と崩壊様式

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3 原子核が存在するとは 寿命がある程度長くないと,存在が確認できない ある程度とはどのくらいか?
寿命がある程度長くないと,存在が確認できない    ある程度とはどのくらいか? 光が原子核を通過するのに要する時間程度:    原子核の大きさを L = 10 fm = m として 強い相互作用による直接反応(direct reaction)に要する時間 速いγ遷移をする励起状態の寿命 原子番号が 113 の原子核(理研で確認)の寿命

4 原子核の崩壊様式 核子放出(強い相互作用) 中性子(陽子)が過剰すぎると中性子(陽子)を放出する
核子放出(強い相互作用)  中性子(陽子)が過剰すぎると中性子(陽子)を放出する α崩壊(強い相互作用)  質量数が 200 程度以上の原子核はα粒子を放出して,質量数が4小さい核  種に変わることが多い β崩壊(弱い相互作用)  安定でない原子核の多くはβ崩壊して,質量数が等しい別の核種に変わる 二重β崩壊(弱い相互作用)  安定でないが,β崩壊がエネルギー的に許されない原子核の崩壊 γ崩壊(電磁相互作用)  核種は変わらない(励起状態からエネルギーの低い状態への遷移) 自発的核分裂(強い相互作用)   平均寿命へ

5 1.核子放出 中性子分離エネルギー : 1個(2個)の中性子を原子核から取り出すのに必要なエネルギー
中性子分離エネルギー : 1個(2個)の中性子を原子核から取り出すのに必要なエネルギー 中性子分離エネルギーが 正である原子核は安定,負である原子核は不安定 陽子分離エネルギー : 1個(2個)の陽子を原子核から取り出すのに必要なエネルギー 陽子分離エネルギーが 正である原子核は安定,負である原子核は不安定

6 核子放出が,核図表の上で,原子核の存在範囲の左端と右端の境界を与える
中性子(陽子)ドリップライン 中性子(陽子)分離エネルギーが 0 になる境界の原子核を結んだ線 フッ素同位体の陽子・中性子分離エネルギー 核子放出が,核図表の上で,原子核の存在範囲の左端と右端の境界を与える

7 2.α崩壊 α粒子を放出して崩壊するモード α粒子の分離エネルギー α粒子の結合エネルギー
α粒子の分離エネルギー    α粒子の結合エネルギー 分離エネルギーが負であることは,原子核は自発的にα崩壊できることを意味する(次ページ) しかし, 分光学的因子(spectroscopic factor) Coulomb 障壁   によって,崩壊寿命が極めて長くなることがしばしばある 半減期の例 短い例と長い例

8 α崩壊が,核図表の上で,原子核の存在範囲の右上の境界を与える
                      である核種 α崩壊が,核図表の上で,原子核の存在範囲の右上の境界を与える

9 α崩壊における Coulomb 障壁とトンネル効果

10 3.β崩壊 3種類の崩壊様式 β- 崩壊 β+ 崩壊 電子捕獲 Q 値(Q value)

11 ■ β崩壊では質量数は変化しない ■ 質量数が 200 より小さい不安定な原子核のほとんどは,β崩壊によって   より安定な核種へと壊変していく

12 4.二重β崩壊 弱い相互作用の2次の過程 下の例(質量数が A = 100 の原子核のエネルギー)に示すように, エネルギーが最も低くないが,通常のβ崩壊ができない原子核(100Mo)の崩壊様式 現在までに測定された最も長い寿命の崩壊様式 最も短い半減期が

13 6.自発的核分裂 大きな質量数をもつ原子核が,2つの質量数が小さい原子核に割れる崩壊様式 一般に非対称な分裂片に割れる
Coulomb 障壁の効果が大きく,長い寿命をもつことが多い

14 平均寿命 単位時間に崩壊する個数は,その時刻にある個数に比例する 実験則 崩壊様式によらない 方程式の解は
平均寿命(mean life) 個数が 1/e になる時間 半減期(half-life) 個数が 1/2 になる時間

15 崩壊率,崩壊幅 崩壊率(decay rate) :平均寿命の逆数 崩壊幅(decay width)
原子核のある状態が有限の寿命をもつとき, その状態のエネルギーは虚部をもつといえる: 波動関数の時間発展 確率(波動関数の絶対値の2乗)の時間変化

16 2体崩壊 Q 値:内部励起がないとき,終状態の運動エネルギーの和 終状態にある2つの粒子の運動 エネルギーを測定すると,その和 は始状態の粒子の崩壊寿命の幅 をもつ

17 安定な原子核 理科年表には,自然界に存在する 287 種の安定同位体があげられている
質量数が等しい原子核の中で最も安定な原子核  質量数 A = 1 – 209 (1H から 209Biまで) の 207 核種  A = 5, 8 には安定な原子核がない    以下は厳密には安定ではない トリウム 232Th,ウラン 234,235,238U 放射性同位体(次の3グループに分類される) ウラン(235U, 238U),トリウム(232Th)のような長寿命の放射性元素を親とする放射壊変系列に属す核種 放射壊変系列に属さない長寿命の核種(例:40K) 宇宙線によって生成される核種  3H, 7Be, 10Be, 14C, 22Na, 32P, 35S, 36Cl など 二重β崩壊する核種

18 A = 5 : 4He は結合エネルギーが大きく,1つの核子を加えても束縛しない

19 A = 8 最もエネルギーが小さい原子核は 8Be であるが,2つのα粒子(4He)に崩壊する 太陽ニュートリノ問題: 8B のβ崩壊 で放出されるニュートリノの数について理論値と実験値が不一致 ニュートリノ振動

20 放射壊変系列に属さない長寿命の核種

21 原子核の存在範囲 およそ 6000 の核種が存在すると考えられる 既に存在が確認されている核種は約 3000
まだ確認されていない核種のほとんどは中性子過剰核     質量数が大きくない領域では, 核子の放出に対して安定である場合は,原子核が存在すると認識できる 分離エネルギーが正となる不安定な原子核でも,分離エネルギーが小さいときは,崩壊幅が小さく(寿命が短すぎない)原子核として認識できる     超重元素 原子番号が 114 のあたりに,寿命が長い原子核が存在するようである


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