Двухпротонная радиоактивность. 
Виды радиоактивного распада

Новый тип радиоактивного распада — двухпротонная радиоактивность — был предсказан В. И. Гольданским в 1960 г., а открыт лишь в 2002 г. Явление двухпротонной радиоактивности состоит в том, что атомное ядро спонтанно испускает два протона из основного состояния. Этот тип радиоактивного распада обусловлен спариванием протонов в атомных ядрах. В некоторых случаях от ядра с чётным числом протонов Z оказывается легче оторвать сразу два протона, чем один «чётный» протон. Двухпротонная радиоактивность должна наблюдаться вблизи границы протонной радиоактивности в атомных ядрах, имеющих чётное число протонов.

Рис. Энергетические диаграммы испускания ядром (A, Z) одного и двух протонов.

Создание пучков радиоактивных ядер позволило исследовать атомные ядра с существенно иным соотношением между числом протонов Z и числом нейтронов N в ядре N/Z, чем в области стабильных ядер. Для ядер, удаленных от полосы в-стабильности обнаруживаются новые явления. В ядрах, расположенных вблизи границы протонной радиоактивности, где сильные взаимодействия нуклонов уже не в состоянии удержать протон, для нечетных по Z ядер имеет место протонная радиоактивность, в то время как для четных по Z ядер среднего массового числа A и тяжелых ядер в результате спаривания протонов становится возможным испускание двух протонов.

На рис. показаны возможные энергетические диаграммы испускания ядром (A, Z) одного и двух протонов. На рис.а показан случай, когда исходное ядро (A, Z) неустойчиво как к испусканию одного, так и к испусканию двух протонов. На рис.б показан случай, когда ядро (A, Z) может непосредственно распадаться как с испусканием двух протонов так и в результате цепочки последовательных распадов (A, Z) > (A-1,Z-1) + p > (A-2,Z-2) + 2p. В этом случае в конечном состоянии также образуются два протона, но необходимо, чтобы образовавшееся в результате испускания первичного протона промежуточное ядро (A-1,Z-1) было неустойчиво к испусканию второго протона.

В случае, показанном на рис.в, возможен прямой распад ядра (A, Z) с испусканием двух протонов и образованием конечного ядра (A-2,Z-2). Распад ядра (A, Z) на состояния ядра (A-1,Z-1) энергетически запрещён. Т. е. в этом случае может происходить прямой распад с испусканием двух протонов из основного состояния ядра (A, Z).

Какой из рассмотренных случаев приводит к двухпротонной радиоактивности зависит не только от соотношения масс ядер (A, Z),.

• (A-1,Z-1), (A-2,Z-2), но и от ширин основных состояний ядер (A, Z),
• (A-1,Z-1).

Из теоретических работ, выполненных к 2000 г., следовало, что наилучшими кандидатами для поиска двухпротонной радиоактивности являются изотопы ⁴⁵Fe, ⁴⁸Ni и ⁵⁴Zn, т.к. их энергии двухпротонного распада составляют 1.1−1.8 МэВ, а однопротонный распад подавлен по энергии из-за узкой ширины основных состояний, образующихся при испускании одного протона.

Явление двухпротонной радиоактивности было впервые обнаружено в изотопе ⁴⁵Fe. Для надежной идентификации двухпротонной радиоактивности было необходимо надежно отделить эти события от однопротонного распада и двухпротонного распада, сопровождающего в-распад. Двухпротонный распад является основным каналом распада изотопа ⁴⁵Fe. На рис. приведена энергетическая диаграмма распада изотопа ⁴⁵Fe.

Для исследования процессов, происходящих при распаде ядер вблизи границы протонной радиоактивности, необходимо было создать новые типы детекторов, имеющих большую эффективность регистрации продуктов распада и высокое пространственное разрешение.

Первые эксперименты по обнаружению двухпротонного распада из основного состояния были выполнены на телескопах из кремниевых детекторов. С помощью этой методики можно было надёжно измерять:

• · суммарную энергию двух протонов
• · период полураспада изотопа
• · долю канала 2p-распада из основного состояния
• · убедиться в том, что нет совпадений с в-распадом, т. е. 2p-распад происходит из основного состояния ядра, а не является испусканием двух запаздывающих протонов в2p.

Однако для более надёжной идентификации канала 2p-распада было желательно измерить энергии каждого из протонов. Для решения этой задачи были созданы:

• · оптическая время-проекционная камера OTPC
• · временная проекционная камера TPC