International Science and Technology Journal

Home < Articles < Article Details

Comparative Analysis of Nuclear Binding, Separation Energies, and Alpha-Decay Q-Values in Radium and Uranium Isotopic Chains

الملخص
فهم كيفية تغيّر الاستقرار النووي على طول السلاسل النظيرية يُعد جزءًا مهمًا من دراسات البنية النووية. في هذا العمل، تُستخدم الصيغة شبه التجريبية للكتلة (SEMF) لحساب طاقات الترابط النووية لنظائر مختارة من الراديوم (Z = 88) واليورانيوم (Z = 92). تُشتق طاقات فصل نيوترون واحد (Sₙ)، وطاقات فصل نيوترونين (S₂ₙ)، وقيم Q لتحلل ألفا (Qα) من طاقات الترابط المحسوبة، وتُقارَن بالبيانات التجريبية المقيَّمة من تقييم الكتلة الذرية AME2020. يغطي التحليل النظائر ²¹⁰–²³³ Ra و²¹⁸–²⁴⁰U، وهو ما يقابل أعداد نيوترونات N = 122–145 للراديوم و N = 126–148 لليورانيوم. تُعيد الصيغة SEMF إنتاج الانتظام السلس لطاقة الترابط بشكل جيد نسبيًا، لكنها لا تُعيد إنتاج البنية القشرية الموضعية الظاهرة في طاقات الفصل. بالنسبة للراديوم يبلغ متوسط الخطأ المطلق نحو 0.38 MeV لـ Sₙ، و0.76 MeV لـ S₂ₙ، و1.60 MeV لـ Qα؛ أما بالنسبة لليورانيوم، فالقيم المقابلة هي نحو 0.20 و0.29 و0.85 MeV، وذلك بعد استبعاد المدخلات المقدَّرة في AME2020 من إحصاءات الخطأ. تُقدّم منطقة N = 126 توضيحًا واضحًا لهذا القصور: إذ إن مؤشر الفجوة القشرية التجريبي لفصل نيوترونين أكبر بكثير من التنبؤ السلس لصيغة SEMF كما تُظهر الدراسة أن طاقة تحلل ألفا حساسة للتوازن بين تغيّرات الترابط في النواة الأم والنواة الوليدة، ولإسهام كولوم المتزايد مع العدد الذري. لذلك، تُعامَل الفكرة التفسيرية التي طُرحت في الأصل حول وجود علاقة عكسية بين طاقة الفصل وQα بحذر: فارتباطات بيرسون على مستوى السلسلة موجبة لأن كلا الكميتين تعتمدان بقوة على العدد الكتلي، في حين أن ارتباطات التغيرات المتتالية تُظهر ارتباطًا عكسيًا موضعيًا قويًا بين S₂ₙ وQα بقيمة تقريبية r = −0.93 للراديوم وr = −0.96 لليورانيوم. تؤكد النتائج أن صيغة SEMF مفيدة لوصف الاتجاهات العامة في النوى الثقيلة، لكنها تتطلب تصحيحات قشرية وتشوهية للوصف الكمي للبنية الموضعية............ الكلمات المفتاحية:........... معادلة الكتلة شبه التجريبية، طاقة الربط النووية، طاقة الفصل، قيمة طاقة تفكك ألفا، نظائر الراديوم، نظائر اليورانيوم.
Abstract
Understanding how nuclear stability varies along isotopic chains is an important part of nuclear-structure studies. In this work, the semi-empirical mass formula (SEMF) is used to calculate nuclear binding energies for selected radium (Z = 88) and uranium (Z = 92) isotopes. One-neutron separation energies (Sₙ), two-neutron separation energies (S2n), and alpha-decay Q-values (Qα) are derived from the calculated binding energies and compared with evaluated experimental data from the AME2020 atomic mass evaluation. The analysis covers ²¹⁰–²³³Ra and ²¹⁸–²⁴⁰U, corresponding to neutron numbers N = 122–145 for Ra and N = 126–148 for U. The SEMF reproduces the smooth binding-energy systematics reasonably well, but it does not reproduce the localized shell structure visible in separation energies. For Ra, the mean absolute errors are about 0.38 MeV for Sₙ, 0.76 MeV for S₂ₙ, and 1.60 MeV for Qα; for U, the corresponding values are about 0.20, 0.29, and 0.85 MeV when AME2020 estimated entries are excluded from the error statistics. The N = 126 region provides a clear illustration of the limitation: the experimental two-neutron shell-gap indicator is substantially larger than the smooth SEMF prediction. The study also shows that the alpha-decay energy is sensitive to the balance between binding changes in the parent and daughter nuclei and to the increasing Coulomb contribution with atomic number. The originally proposed interpretation of an inverse separation-energy/Qα relationship is therefore treated carefully: the chain-wise Pearson correlations are positive because both quantities have a strong dependence on mass number, whereas correlations of successive changes show a strong local anti-correlation for S₂ₙ and Qα (approximately r = −0.93 for Ra and −0.96 for U). The results confirm that SEMF is useful for broad trends in heavy nuclei but requires shell and deformation corrections for quantitative description of localized structure.................. Keywords:................. Semi-empirical mass formula, nuclear binding energy, separation energy, alpha-decay Q-value, radium isotopes, uranium isotopes.