Кластерная радиоактивность представляет собой один из редких и весьма специфических типов ядерного распада, при котором из материнского ядра самопроизвольно испускается тяжёлый фрагмент — кластер, состоящий из нескольких протонов и нейтронов. Это явление занимает промежуточное положение между альфа-распадом и спонтанным делением.
Кластерная радиоактивность наблюдается у тяжёлых и сверхтяжёлых ядер и заключается в испускании кластеров, тяжелее α-частицы, но легче продуктов типичного спонтанного деления. Примеры испускаемых кластеров включают ядра углерода-14, кислорода-20, неона-24, магния-28 и других. Чаще всего кластерный распад приводит к образованию дочернего ядра, близкого по массе и структуре к стабильному ядру свинца-208.
Реакция имеет вид:
ZAX → ZcAcC + ZdAdD
где
Кластерный распад был предсказан теоретически в 1980 году и впервые зафиксирован экспериментально в 1984 году в ядре 223Ra, испускающем кластер 14C. С тех пор наблюдалось множество других случаев кластерной радиоактивности у изотопов таких элементов, как радий, торий, франций, актиний.
Методы обнаружения включают измерения кинетической энергии кластеров и дочерних ядер, а также анализ времён жизни и спектров излучения. Из-за крайне малой вероятности процесса (периоды полураспада до 1030 с) его регистрация требует использования чувствительной детекторной аппаратуры и условий с минимальным фоном.
Процесс кластерного распада интерпретируется как туннелирование кластера сквозь потенциальный барьер, аналогично альфа-распаду. Барьер формируется комбинацией кулоновского отталкивания и ядерного притяжения.
Вероятность туннелирования P вычисляется с использованием приближения ВКБ:
$P \sim \exp\left(-\frac{2}{\hbar} \int_{R_{\text{in}}}^{R_{\text{out}}} \sqrt{2\mu(V(r) - Q)}\,dr \right)$
где
Для оценки вероятности кластерного распада необходимо учитывать вероятность предварительного формирования кластера внутри ядра — предформационный фактор S, так как испускаемый кластер не существует в ядре как отдельная частица до момента распада.
Таким образом, общий распадный констант λ представляется в виде:
λ = S ⋅ P ⋅ ν
где
Кластерный распад возможен только при положительном значении энергии распада Q, определяемой разностью масс:
Q = [M(X) − M(C) − M(D)]c2
где
Положительное значение Q означает, что процесс энергетически разрешён. Наиболее вероятными являются те каналы, где дочернее ядро обладает закрытыми оболочками, особенно двойной магический свинец-208, что обусловливает энергетическую предпочтительность соответствующих распадов.
| Параметр | Альфа-распад | Кластерный распад | Спонтанное деление |
|---|---|---|---|
| Масса испускаемой частицы | 4 (He) | 14–34 | 70–160 |
| Характер дочернего ядра | Любое | Обычно Pb-208 | Два произвольных ядра |
| Вероятность | Высокая | Очень малая | Средняя–высокая |
| Энергия распада Q | ~4–9 МэВ | 20–40 МэВ | До сотен МэВ |
Кластерный распад занимает промежуточное положение между α-распадом и делением. В то время как α-распад — повсеместно наблюдаемый процесс, кластерная радиоактивность характерна только для избранных изотопов с особыми энергетическими условиями.
Одной из ключевых особенностей кластерной радиоактивности является выраженное влияние оболочечных эффектов. Особенно стабилен продукт распада с числом протонов Z = 82 и нейтронов N = 126, соответствующих двойной магической конфигурации свинца-208. Это повышает вероятность каналов кластерного распада, заканчивающихся на ядро свинца, и определяет энергетически выгодные пути распада.
Для описания кластерного распада используются различные теоретические подходы:
На сегодняшний день подтверждены кластеры, испускаемые следующими ядрами:
Энергии распада находятся в диапазоне 20–30 МэВ, а периоды полураспада варьируются от 1014 до 1030 с, что делает эти процессы исключительно редкими.
Хотя кластерная радиоактивность не имеет непосредственного прикладного применения, её исследование важно по следующим причинам:
Развитие экспериментальной техники, включая детекторы с высоким разрешением, а также увеличение чувствительности в условиях низкого фона открывает путь к наблюдению новых форм кластерного распада, особенно у ещё не изученных тяжёлых и сверхтяжёлых изотопов. В сочетании с вычислительными методами теоретическое моделирование таких процессов позволяет делать предсказания, которые в дальнейшем можно проверять экспериментально, тем самым углубляя наше понимание границ ядерной стабильности.