Диссертация (1149404), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Известное в литературе -значениедля 123 Te, равное 52.7(16) кэВ [49], было получено на основе так называемой эвалюации, когдадля определения искомой величины в основном используются данные из (n,γ)-реакций и значения масс соседних атомов. Полученный нами результат в ходе прямых измерений разницымасс 123 Te и 123 Sb дал значение в 51.912(67) кэВ, которое, однако, не сильно отличается от ранее известного литературного значения в 52.7(16) кэВ [49], тем не менее являясь надежным ив 24 раза более точным результатом.
Сравнение ранее известных литературных -значений123Te и результата, полученного в ходе нашего измерения, представлено на Рис. 5.1.TeQ-значение (кэВ)123AME-03AME-12нашрезультатРисунок 5.1 — Сравнение ранее известного литературного -значения 123 Te из AME-03[109] и AME-12 [49] и результата, полученного в ходе нашего измерения [7].С учетом полученного нового -значения для 123 Te нами был проделан более детальный анализ полной вероятности его β-распада в высокотемпературных звездных условиях.Было показано, что учет нового открывающегося канала распада 123 Te* (3/2+ , 159 кэВ) →123Sb* (5/2+ , 160.3 кэВ) в таких условиях сильно изменяет полный период полураспада 123 Te(схема распада представлена на Рис. 5.2).
Так, при типичной температуре -процесса в 3 · 108K происходит сильное изменение его периода полураспада вплоть до 103 лет, что более чем65на 14 порядков величины отличается от его 1/2 в земных условиях. Зависимость 1/2 дляTe от температуры и плотности окружающей среды представлена на Рис. 5.31235.2.2416(6)=9.875/2+ 0.4160.33logft =+5 3/25.17β 140).9(2787/2+99.6123Sb0logft4.=1)1(71.95ε=1/2+159.021.099.05/2+(4)ft =ft =5log ft(129 дней)logSn281233(9)24.601287.2log12.8β-3/2+11/2+0123I(13.2 ч)0123Te7(1.7 10 лет)(стабильный)Рисунок 5.2 — Изобарная цепочка распада с = 123 в районе 123 Te. Энергии ядерныхуровней и энергии β-переходов даны в кэВ.летплотность звезднойматерии г смРисунок 5.3 — Оцененный на основе формализма в [110] период полураспада для 123 Te взависимости от температуры и плотности звездной материи.
Штрихованной линиейобозначен 1/2 с учетом захвата свободных электронов при ρ = 104 г/см3 .При оценке 1/2 учитывался еще и тот факт, что энергия ε-распада при увеличениистепени ионизации атома уменьшается. В самом деле, энергия ε-распада для -кратно заряженного иона с атомным номером выражается следующей формулой:]︁]︀ [︁ [︀(−1−)*+ −1+ −1+ ζ*−1 ,(5.1)() = + + (−) + * + ζ* − −1где – энергия распада для нейтрального атома, – суммарная энергия связи всех(−)атомных электронов, – суммарная энергия связи ( − ) внутренних электронов66в -кратно заряженном ионе, * – энергия ядерного возбужденного уровня, ζ* – энергия возбуждения электронов в атомной оболочке. Так, для интересующего нас перехода5550Энергия (кэВ)454035пороговая энергия для К-захвата3025Q(q)BK2015253035404550qРисунок 5.4 — Зависимость энергии перехода 123 Te* (159 кэВ) → 123 Sb* (160.3 кэВ) (черныеквадратики) и энергии связи К-электронов (красные кружки) в 123 Te+ в зависимости отстепени ионизации атома .
Погрешность значений находится в пределах размера маркеров.Te* (3/2+ , 159 кэВ) → 123 Sb* (5/2+ , 160.3 кэВ) зависимость энергии распада от степени ионизации атома представлена на Рис. 5.4. Для расчетов использовались табличные значенияэнергий связи электронов из [111—113], энергии возбужденных ядерных уровней * быливзяты из [114], а разницей возбуждения атомных оболочек (ζ* − ζ*−1 ) ввиду ее малостимы пренебрегли.
Из Рис. 5.4 видно, что для Li-подобного атома 49+ = 47.1 кэВ, однако для He-подобного атома 49+ = 20.4 кэВ, что уже меньше энергии связи электрона наК-оболочке, а значит К-захват энергетически невозможен.Для демонстрации того, насколько важно знать достоверное -значение для нейтрального атома, приведен Рис. 5.5. Так, например, при вполне реалистичных значенияхтемпературы звездной среды 3 · 108 K и ее плотности ρ = 103 г/см3 видна достаточно сильная зависимость 1/2 от -значения.В конечном счете, используя полученное нами новое достоверное -значениеК.Такахаши и др.
показали, что учет эффекта β-распада с термически заселенного возбужденного состояния в 159 кэВ приводит к изменению распространенности 123 Te, образованногов ходе -процесса в массивных звездах [2].1235.3Нуклид187Re для ядерной космохронологииВ путях протекания процессов нуклеосинтеза в звездах существуют области специального интереса, поскольку благодаря особому сочетанию периодов распада нуклидов в этойобласти можно получить дополнительную информацию о параметрах самого процесса нуклеосинтеза. Нуклиды, представляющие такой интерес, называют космохронометрами илиT1/2 (Q) / T1/2 (Q = 52 кэВ)67Q (кэВ)Рисунок 5.5 — Зависимость периода полураспада 123 Te в звездной среде от его -значениядля нейтрального атома.
Все кривые нормированы на 1/2 для 123 Te с -значениемнейтрального атома в 52 кэВ. Расчет произведен для плотности звездной материи ρ = 103г/см3 при различных температурах среды 8 , обозначенных в единицах 108 K.космотермометрами. За последние десятилетия было изучено более десятка таких случаев,в числе которых и пара 187 Re/ 187 Os.
Эта пара, изучение которой было впервые предложенов работе [115], представлялась наиболее многообещающей для космохронометрии.Re/Os-хронометр основан на том факте, что период полураспада 187 Re в 43.3(7) · 109лет [116] сравним с возрастом Вселенной в 13.799(21) · 109 лет [23]. Для идеального случаязакрытой системы, состоящей только из радиоактивных атомов, зная начальную и конечную концентрацию всех атомов, а также период полураспада можно, используя известныйэкспоненциальный характер распада, определить сколько времени прошло с момента формирования этой системы.
На практике удобно определять не абсолютную, а относительнуюконцентрацию атомов. Так, применительно к Re/Os-случаю имеем следующее хронометрическое уравнение:(︂ 187 )︂(︂ 187 )︂(︂ 187 )︂(︂[︂]︂)︂OsOsReln2= 186+ 186exp −1 ,(5.2)186 OsOs initialOs today1/2todayгде (187 Os/186 Os)today – отношение распространенностей изотопов 187 и 186 осмия в исследуемом объекте; (187 Os/186 Os)initial – то же отношение, но на момент образования объекта;(187 Re/186 Os)today – отношение распространенностей 187 Re и 187 Os в исследуемом объекте; 1/2– период полураспада 187 Re; – время, прошедшее с момента образования системы объекта.Проще говоря, если мы знаем относительную концентрацию атомов 187 Os в самом начале испустя время , то, учитывая известную скорость превращения атомов 187 Re в атомы 187 Os(константу распада), можно определить само время .
Для применения этого уравнения напрактике, каждое из его слагаемых нормировано на концентрацию стабильных атомов 186 Os,которая, предположительно, не изменялась после сформирования системы.68Уравнение 5.2 обычно применяют для определения возраста метеоритов, упавших изкосмоса на Землю. Концентрация 187 Re, 186 Os и 187 Os атомов в исследуемых метеоритах находится экспериментально, после чего строится характерный график, представленный наРис.
5.6. После фитирования точек линейной функцией находится пересечение полученнойпрямой с осью ординат. Это значение и является недостающим звеном (187 Os/186 Os)initial вуравнении 5.2. Теперь, пользуясь уравнением 5.2, можно определять возраст каждого отдельного метеорита, если известен период полураспада 187 Re. Или наоборот, если известенвозраст метеорита, который предположительно равен возрасту нашей Галактики, то можноопределить период полураспада 187 Re. Подобные вычисления были сделаны, например, вработе [117].1.4187Os / 186Os1.31.21.11.0intercept = 0.807(6)0.923456187186Re /789OsРисунок 5.6 — Типичная 187 Re/187 Os диаграмма для метеоритов.
Рисунок взят из работы[117]. Из линейного фита находится его пересечение с осью ординат, то есть(187 Os/186 Os)initial член из уравнения 5.2.Существует, однако, теоретический способ вычисления (187 Os/186 Os)initial на основедетального изучения путей протекания процессов нуклеосинтеза в этом районе, представленном на Рис. 5.7. Как видно из Рис. 5.7, изотопы осмия 186 и 187 экранированы отr-процесса стабильным 186 W и очень долгоживущим 187 Re, являясь тем самым продуктами чистого s-процесса.
Как уже отмечалось в разделе 1.2.1, s-процесс является достаточнохорошо изученным, а значит позволяет теоретически рассчитать (187 Os/186 Os)initial . Однако,предположение, что 187 Os является продуктом чистого s-процесса не совсем верное.Нуклид 187 Re является долгоживущим только в нормальных земных условиях. В высокотемпературных звездных условиях 187 Re находится в высоко ионизированных состояния,что изменяет его полную энергию распада и, как следствие, ввиду открытия новых каналовраспада, изменяет его время жизни.
Этот эффект, приводящий к изменению 1/2 для 187 Reна несколько порядков величины, был подробнее описан в разделе 1.2.1. Таким образом, с69186187ss188189Os185Res,rs,r1874d43 Gyrs,r183Ws,r190 s-процессs,r184r18675 dss,rs,rrr-процессРисунок 5.7 — Пути протекания процессов нуклеосинтеза в районе 183 W −190 Os: чернаялиния – s-процесс, фиолетовые стрелки – β-цепочки после r-процесса. Квадратнымиячейками обозначены стабильные или почти стабильные нуклиды, в круглых –радиоактивные. Красной стрелкой обозначен β− -распад 187 Re, синей – ε-захват в 187 Os,происходящий только в высокотемпературных звездных условиях. Пунктирной зеленойлинией обозначено ветвление s-процесса.учетом этого эффекта в отношение (187 Os/186 Os)initial должны быть внесены соответствующие поправки.
Вычисление этих поправок является нетривиальной задачей, ставящей подсомнение использование пары Re/Os в качестве надёжного космохронометра.Существует еще один эффект не в пользу использования Re/Os как надежного космохронометра. Было обнаружено, что 187 Os может «утекать» из канала s-процесса посредствомε-захвата (обозначено синий линией на Рис. 5.7). В земных условиях 187 Os является стабильным, но в высоко температурных звездных условиях открываются новые каналы распадас термически заселенных возбужденных ядерных уровней. Схема распада представлена наРис.
5.8. Таким образом, для правильного расчета (187 Os/186 Os)initial нужно учитывать и вероятность «обратного» ε-распада в 187 Os.Для расчета вероятности распада как 187 Os, так и 187 Re в высоко температурных условиях, нужно знать энергии всех каналов распада. Особенно это важно для случая ε-захватав 187 Os, поскольку вероятность распада зависит от того, возможен ли энергетический захват с той или иной атомной оболочки (смотри, например, формулу 1.7). Энергия распадав каждом из каналов определяется по формуле 5.1, в которую как один из параметроввходит -значение нейтрального атома 187 Re.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
