Протонная радиоактивность представляет собой редкий тип радиоактивного распада, при котором нестабильное ядро испускает один (или иногда два) протона. Этот процесс наблюдается у ядер, находящихся за пределом протонной стабильности (границей протонного капли) и возможен, если масса родительского ядра превышает сумму масс дочернего ядра и протона.
Распад возможен только в том случае, если он энергетически разрешён, т.е. если выполняется неравенство:
Qp = M(Z, N) − M(Z − 1, N) − mp > 0,
где:
Такой тип распада характерен в первую очередь для чрезвычайно нейтрон-дефицитных ядер, особенно в области тяжёлых элементов (начиная с элемента № 51 – сурьмы), у которых испускание протона оказывается более вероятным, чем захват электрона или β⁺-распад, поскольку последние каналы могут быть энергетически закрыты.
Протон может испускаться как из возбужденного, так и из основного состояния ядра. Важнейшую роль при этом играет туннелирование сквозь кулоновский барьер. Высота и ширина этого барьера зависят от заряда ядра и энергии испускаемого протона. Вероятность туннелирования определяется выражением вида:
$$ P \sim \exp\left( -2 \int_{r_1}^{r_2} \sqrt{\frac{2m}{\hbar^2} (V(r) - E_p)} \, dr \right), $$
где:
Чем выше энергия испускаемого протона, тем больше вероятность туннелирования и, соответственно, меньше время жизни по отношению к протонному распаду.
Кроме одно-протонного испускания наблюдается также двухпротонная радиоактивность, особенно у даже-Z ядер, для которых одно-протонный распад запрещён или сильно подавлен законами сохранения (например, спина и парности). Двухпротонный распад может происходить:
Примером ядра, испускающего два протона, является ^45Fe. Энергия Q-распада в таких случаях делится между двумя протонами, и в спектрах наблюдаются характерные особенности, отражающие механизм коррелированного испускания.
Нейтронная радиоактивность — процесс, аналогичный протонному распаду, но с испусканием одного или нескольких нейтронов. Возможен у ядер, находящихся за границей нейтронной стабильности. Является ещё более редким, чем протонная радиоактивность, и проявляется, как правило, у крайне нейтрон-избыточных изотопов, находящихся за пределом нейтронного дропа.
Аналогично протонному распаду, для испускания нейтрона необходимо, чтобы выполнялось:
Qn = M(Z, N) − M(Z, N − 1) − mn > 0,
где:
Отсутствие кулоновского барьера для нейтрона делает этот распад более вероятным с точки зрения квантовой механики. Однако нейтронная радиоактивность крайне редка, потому что большинство нейтрон-избыточных ядер до границы стабильности распадаются через β⁻-распад, двигаясь в сторону большего Z.
Так как кулоновский барьер отсутствует, туннелирование не требуется, и испускание нейтрона, как правило, происходит мгновенно, при этом времена жизни могут быть порядка фемтосекунд и меньше. Однако, в редких случаях (например, при малом Q-значении) возможна задержанная нейтронная эмиссия, характеризующаяся временем жизни в пределах наносекунд.
Условия для наблюдаемой нейтронной радиоактивности:
Примеры ядер, в которых наблюдается нейтронная радиоактивность: ^16Be, ^26O. В этих системах фиксируется двухнейтронный распад, который может быть как последовательным, так и одновременным.
| Параметр | Протонная радиоактивность | Нейтронная радиоактивность |
|---|---|---|
| Тип ядер | Нейтрон-дефицитные | Нейтрон-избыточные |
| Препятствие испусканию | Кулоновский барьер | Отсутствует |
| Механизм | Туннелирование | Спонтанный выход |
| Распространённость | Ограничена тяжёлыми ядрами | Крайне редкая |
| Возможность многократного испускания | Есть (2p-распад) | Есть (2n-распад) |
Как в протонной, так и в нейтронной радиоактивности, важную роль играют структурные особенности ядра:
Например, подавление распада может быть обусловлено необходимостью нарушения парности нуклонов или большим различием в спине между начальными и конечными состояниями. Это может значительно увеличивать время жизни.
Для регистрации и изучения протонной и нейтронной радиоактивности применяются высокочувствительные методы:
Регистрация двухкоррелированных протонов или нейтронов требует высокой пространственной и временной разрешающей способности, поскольку продукты распада могут быть сильно коррелированы в пространстве и по энергии.
Теоретические модели радиоактивности одного и двух нуклонов включают:
Современные расчёты требуют учёта как структуры ядра (оболочечная модель, взаимодействие нуклонов), так и динамики распада (туннелирование, кулоновское взаимодействие в финальном состоянии, влияние резонансных состояний).
Протонная и нейтронная радиоактивность являются ключевыми процессами в ядерной астрофизике и физике ядер, находящихся за пределами стабильности. Они позволяют: