Лінія відриву нуклонів — це межа, за якою атомні ядра не зв'язані відносно випромінювання протона або нейтрона.
Довільна комбінація протонів і нейтронів не обов'язково дає стабільне ядро. Рух праворуч (або вгору) по таблиці нуклідів з послідовним додаванням протонів (або нейтронів) зрештою приводить до такого ядра, яке негайно розпадається, випромінюючи протон (або нейтрон).
Лінії відриву визначені для протонів і нейтронів на крайньому рівні нейтронно-протонного відношення n/p, за яким вже не може існувати зв'язане ядро. У той час як розташування лінії відриву протонів добре відоме для багатьох елементів, розташування лінії відриву нейтронів відомо лише для елементів до неону.
Загальний опис Область розташування зв'язаних ядер на таблиці ізотопів називають долиною стабільності. Межами цієї долини є лінія відриву нейтронів з боку, збагаченого нейтронами, і лінія відриву протонів з боку, збагаченого протонами. За цією лінією ядерна реакція випромінювання одного або кількох нуклонів стає екзотермічною. Таким чином, лінію відриву можна визначити як межу, за якою енергія відокремлення протона або нейтрона стає від'ємною, дозволяючи випромінювання частинки з такої незв'язаної системи.
Дозволені переходи Розглядаючи, чи є конкретна ядерна трансмутація — реакція або розпад — енергетично дозволеною, достатньо підсумувати маси початкового ядра або ядер і відняти від цього значення суму мас частинок-продуктів реакції. Якщо результат, або , є додатним, то трансмутація дозволена, тобто екзотермічна, оскільки супроводжується виділенням енергії; якщо ж Q від'ємне, процес є ендотермічним, адже для його перебігу в систему необхідно внести щонайменше таку кількість енергії. Наприклад, щоб з'ясувати, чи може 12C — найпоширеніший ізотоп вуглецю — зазнати випромінювання протона з утворенням 11B, виявляють, що для дозволеності цього процесу до системи потрібно додати приблизно 16 МеВWang, M.; Audi, G.; Kondev, F. G.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Xu, X. (2017). «The AME2016 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references». Chinese Physics C. 41 (3) 030003. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030003.. Хоча величини Q застосовують для опису будь-якої ядерної трансмутації, для розпаду з випромінюванням частинок також використовують величину енергії відокремлення частинки S, яка дорівнює від'ємному значенню Q. Іншими словами, енергія відокремлення протона Sp показує, яку енергію потрібно надати даному ядру, щоб вилучити з нього один протон. Отже, лінії відриву частинок визначають межі, за якими енергія відокремлення частинки стає від'ємною, тобто самочинне випромінювання цієї частинки є енергетично дозволенимThoennessen, M. (2016). The Discovery of Isotopes: A Complete Compilation. Springer. pp. 275—292. doi:10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN 2016935977..
Хоча положення ліній відриву добре визначене як межа, за якою енергія відокремлення частинки стає від'ємною, визначення того, що саме вважати ядром, а що — незв'язаним резонансом, залишається нечітким. Деякі відомі ядра легких елементів за межами ліній відриву розпадаються з характерними часами життя порядку 10−22 секунди; іноді це значення вважають межею існування ядра, оскільки кілька фундаментальних ядерних процесів (зокрема коливання та обертання) відбуваються саме на такому часовому масштабі. Для масивніших ядер періоди напіврозпаду з випромінюванням частинок можуть бути значно довшими через сильніший кулонівський бар'єр, що дає змогу натомість реалізуватися іншим переходам, таким як α- та бета-розпад. Це ускладнює однозначне визначення ліній відриву, оскільки ядра з часами життя, достатніми для спостереження, існують набагато довше за характерний час випромінювання частинок і, найімовірніше, є зв'язаними. Унаслідок цього ядра, незв'язані щодо випромінювання частинок, складно спостерігати безпосередньо; їх зазвичай ідентифікують за енергією розпаду.
Походження ліній відриву з точки зору структури ядра Енергія нуклона в ядрі дорівнює його енергії спокою мінус енергія зв'язку. Окрім цього, існує енергія, пов'язана з виродженням: зокрема, нуклон з енергією E1 буде змушений перейти на вищий енергетичний рівень E2, якщо всі нижчі рівні вже заповнені. Це зумовлено тим, що нуклони є ферміонами і підкоряються статистиці Фермі — Дірака. Робота, виконана для переведення такого нуклона на вищий енергетичний рівень, створює тиск, відомий як тиск виродження. Коли ефективна енергія зв'язку, або енергія Фермі, досягає нуля, додавання до ядра нуклона з тим самим ізотопічним спіном стає неможливим, оскільки новий нуклон матиме від'ємну ефективну енергію зв'язку — тобто енергетично вигідніше, щоб нуклон існував поза ядром. Це й визначає точку відриву частинки від ядра.
Лінії відриву однієї та двох частинок Додатково розглядають так звані лінії відриву однієї та двох частинок. Різниця між ними є наслідком впливу на енергію зв'язку: нукліди з парним числом нуклонів зазвичай мають більшу енергію зв'язку і, відповідно, вищу стабільність, ніж сусідні непарні ядра. Такі відмінності в енергії призводять до появи лінії відриву однієї частинки в непарному за Z або N нукліді, коли випромінювання протона або нейтрона є енергетично вигідним як для цього нукліда, так і для всіх інших непарних нуклідів, розташованих далі за лінією відриву. Водночас наступний парний нуклід за межами лінії відриву однієї частинки може залишатися стабільним щодо випромінювання частинок, якщо його енергія відокремлення двох частинок є невід'ємною. Це можливо, оскільки енергія відокремлення двох частинок завжди більша за енергію відокремлення однієї частинки, а перехід до менш стабільного непарного нукліда є енергетично забороненим. Отже, лінію відриву двох частинок визначають у точці, де енергія відокремлення двох частинок стає від'ємною; вона позначає найвіддаленішу межу стабільності щодо випромінювання частинок для даного виду нуклідів.
Лінії відриву одного та двох нейтронів експериментально визначено для елементів до неону, хоча незв'язані ізотопи з непарним N визначені для кожного елемента до магнію. Наприклад, останнім зв'язаним ізотопом фтору з непарним N є 26FAudi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. (2017). «The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties». Chinese Physics C. 41 (3) 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001., тоді як останнім зв'язаним ізотопом з парним N є 31F.
Ядра поблизу ліній відриву На Землі не існує природних ядер, що зазнають випромінювання нейтронів або протонів, бо часові масштаби таких реакцій дуже которкі. На відміну від β-розпаду, вони відбуваються завдяки сильній, а не слабкій взаємодії, а на відміну від α-розпаду не мають такого високого кулонівського бар'єра, як той, через який має протунелювати альфа-кластер для виходу з ядра. Утім ядра, здатні до відриву нуклонів, можна створити у лабораторії за допомогою прискорювачів частинок, також вони можуть утворюватися природним шляхом, наприклад, у зорях. Установка при Університет штату Мічиган запрацювала в середині 2022 року і вже створила багато нових радіоактивних ізотопів. FRIB пропускає пучок відносно стабільних ізотопів крізь мішень, де ядра руйнуються й утворюється велика кількість нових ядер, після чого їх виділяють і досліджують.
Нуклеосинтез Вибухові астрофізичні середовища часто характеризуються дуже великими потоками високоенергетичних нуклонів, які можуть захоплюватися . У таких умовах радіаційне захоплення протонів або нейтронів відбувається значно швидше, ніж бета-розпади, і хід реакцій відхиляється від центру долини стабільності в бік відповідно лінії відриву нейтронів або протонів, аж до самої цієї лінії. Однак, щойно ядро досягає лінії відриву, до нього більше не можна приєднати нуклони цього типу, і перед подальшим захопленням нуклонів ядро має спершу зазнати бета-розпаду.
Фотодезінтеграція Хоча лінії відриву задають граничні межі нуклеосинтезу, у високоенергетичних середовищах шлях ядерного горіння може обмежуватися ще до досягнення ліній відриву через фотодезінтеграцію, коли високоенергетичний гамма-квант вибиває нуклон із ядра. Те саме ядро одночасно зазнає дії потоків нуклонів і фотонів, тому для нуклідів із достатньо малою енергією відокремлення нейтрона, зокрема поблизу точок очікування, встановлюється рівновага між захопленням нейтронів і фотодезінтеграцією.
Оскільки фотонну «ванну» зазвичай описують планківським розподілом, фотони з вищими енергіями трапляються рідше, і тому фотодезінтеграція не стає істотною, доки енергія відокремлення нуклона при наближенні до лінії відриву не зменшиться до нуля; у цій області фотодезінтеграцію можуть зумовлювати й гамма-кванти помірних енергій. За температури кельвінів фотони мають достатню енергію, щоб вибивати нуклони з будь-яких ядер з енергіями відокремлення частинок, меншими за 3 МеВ, однак для визначення того, які ядра існують і з яки вмістом, потрібно також ураховувати конкуренцію з реакціями захоплення нуклонів.
Оскільки захоплення нейтронів може відбуватися за будь-яких енергій, нейтронна фотодезінтеграція неістотна, за винятком випадків дуже високих енергій. Натомість захоплення протонів сповільнене кулонівським бар'єром, через що перерізи цих реакцій із зарядженими частинками за низьких енергій сильно пригнічені; у високоенергетичних режимах, де ймовірність захоплення протонів значна, часто виникає конкуренція між захопленням протонів і фотодезінтеграцією.
Точки очікування й часові масштаби Коли захоплення нуклонів для певного ядра більше не може продовжуватись — через фотодезінтеграцію або досягнення лінії відриву нуклонів, — ядро не може далі захоплювати нуклони й мусить або вступивши в реакцію з важчим ядром, наприклад 4He, або, що трапляється частіше, дочекатися бета-розпаду. Типи ядер, у яких під час певного епізоду нуклеосинтезу накопичується значна частка маси, називають ядерними точками очікування, оскільки подальша еволюція через швидкі захоплення нуклонів у них затримується. Бета-розпади є найповільнішими процесами під час вибухового нуклеосинтезу. З погляду ядерної фізики часові масштаби вибухового нуклеосинтезу визначаються простим підсумовуванням періодів напіврозпаду відповідних бета-розпадів, оскільки часові масштаби інших ядерних процесів у порівнянні з ними неістотні; на практиці ж цей масштаб зазвичай визначається сумою періодів напіврозпаду лише кількох ядер у точках очікування.
r-процес Вважають, що процес швидкого захоплення нейтронів (r-процес) відбувається дуже близько до лінії відриву нейтронів, хоча точне астрофізичне місце реалізації r-процесу, попри поширену думку про його перебіг у наднових із колапсом ядра, залишається невідомим. Хоча лінію відриву нейтронів експериментально визначено дуже неточно, а точний шлях реакцій відомий не повністю, різні моделі передбачають, що ядра вздовж траєкторії r-процесу мають енергію відокремлення двох нейтронів (S2n) близько 2 МеВ. Далі поблизу лінії відриву стабільність, імовірно, швидко зменшується, і бета-розпад відбувається раніше, ніж подальше захоплення нейтронів. Насправді ядерна фізика надзвичайно збагачених нейтронами ядер є відносно новою галуззю й уже привела до відкриття острова інверсії та .
rp-процес Процес швидкого захоплення протонів у рентгенівських спалахах відбувається вздовж лінії відриву протонів, за винятком околиць деяких точок очікування, зумовлених фотодезінтеграцією. До них належать ядра 21Mg, 30S, 34Ar, 38Ca, 56Ni, 60Zn, 64Ge, 68Se, 72Kr, 76Sr і 80Zr.