ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 696-705
ЯДРА
ЗАСЕЛЕНИЕ ИЗОМЕРНЫХ СОСТОЯНИЙ В РЕАКЦИЯХ СЛИЯНИЯ И ПЕРЕДАЧИ НА ПУЧКАХ СЛАБОСВЯЗАННЫХ ЯДЕР ВБЛИЗИ КУЛОНОВСКОГО БАРЬЕРА
© 2015 г. Н. К. Скобелев*
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия Поступила в редакцию 20.11.2014 г.
Изучено влияние механизмов ядерных реакций на заселение изомерных состояний ядер 195mHg и 197т^(7/2-), 198т^ и 196т^(7+), 196тAu и ), полученных в реакциях на пучках
слабосвязанных частиц 6Li и Поведение функций возбуждения и высокие значения
изомерных отношений (ат/ад) для продуктов ядерных реакций, протекающих через составное ядро с испарением нейтронов, объясняются в рамках моделей с образованием составного ядра. Реакции с вылетом заряженных частиц имеют различные изомерные отношения в зависимости от типа реакций. В прямых реакциях передачи с вылетом заряженных частиц реализуется более низкое изомерное отношение, чем в реакциях с испарением заряженных частиц. Реакции, протекающие с передачей нейтронов, обычно имеют более низкое изомерное отношение, которое по-разному ведет себя с изменением энергии в зависимости от типа прямой реакции (реакции срыва или подхвата).
DOI: 10.7868/80044002715030162
1. ВВЕДЕНИЕ
Впервые изомерное состояние было обнаружено О. Ханом в 1921 г. в атомном ядре 234Ра, образующемся в урановой соли после ^-распада изотопа 234U, а в 1935 г. наблюдалось в радиоактивном ядре 80Br, полученном в реакции 79Br(n, y). Первое объяснение этого явления дал в 1936 г. Вайцзеккер [1]. К настоящему времени известно уже более 100 изомерных состояний в атомных ядрах с временами жизни более 1 с [2].
Изомерное состояние атомного ядра отличается от других возбужденных состояний тем, что вероятность перехода во все другие нижележащие состояния сильно подавлена правилами запрета по спину и четности. В частности, при снятии возбуждения в ядре запрещены переходы с высокой мультипольностью (т.е. с большим изменением спина, необходимым для перехода в нижележащее состояние), а также с малой энергией перехода. Явление ядерной изомерии качественно было объяснено в рамках оболочечной модели ядра, которая предсказывала существование в нечетных ядрах энергетически близких ядерных уровней с большим различием спинов, когда число протонов или нейтронов близко к магическим числам.
Существует несколько видов изомеров [2]: изомеры формы (распад запрещен из-за несоответствия формы), спиновые изомеры (несоответствие
E-mail: skobelev@jinr.ru
спина) и К-изомеры (изменение в ориентации спина относительно оси симметрии ядра).
В настоящей работе рассматривается заселение изомерных состояний, относящихся только к спиновым изомерам. Отношение вероятностей заселения основного и изомерного состояний в атомном ядре, определяемое как ат/ад и называемое изомерным отношением (ИО), зависит от ряда причин, в частности, от энергии возбуждения образовавшегося в реакции ядра и переданного углового момента I во входном канале реакции [3, 4]. Измерение ИО в различных ядерных реакциях позволяет получать важную информацию как о структуре исследуемого ядра, так и о степени его возбуждения, в том числе о распределении плотности ядерных уровней и спинах возбужденных ядерных состояний.
В настоящее время проявляется большой интерес к изучению реакций, вызванных слабосвязанными радиоактивными ядрами, имеющими необычные распределения плотности ядерной материи, которые оказывают сильное влияние на процесс взаимодействия ядер. В случае реакций со слабосвязанными ядрами и ядрами, имеющими структуру с гало, можно ожидать увеличения вносимого среднего углового момента по сравнению с реакциями на плотно упакованных ядрах (а-частицах и др.) вследствие большего радиуса распределения ядерной материи ядра-снаряда. Данное распределение в свою очередь может сказаться на вероят-
ности заселения изомерных состояний продуктов реакций полного и неполного слияния и продуктов реакций передачи по сравнению с заселением этих же состояний в ядрах, образовавшихся в реакциях с обычными стабильными ядрами.
Влияние структуры радиоактивных ядер на процесс реакций слияния в области пороговых энергий исследовался в ряде экспериментальных и теоретических работ. Однако экспериментальных данных о заселении высокоспиновых состояний в реакциях с такими экзотическими ядрами крайне мало.
Целью настоящей работы является дальнейшее изучение влияния механизмов реакций слияния и передачи при взаимодействии слабосвязанных ядер d, 3He, кластерных ядер 6Li и галоидальных ядер 6He с легкими и тяжелыми ядрами мишеней на возбуждение образовавшихся ядер, приводящее к заселению изомерных состояний как в ядрах-остатках испарительных реакций, так и в продуктах реакций при передаче отдельных нуклонов и кластеров как ядру-мишени, так и ядру-снаряду.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты были выполнены на выведенных пучках 3Не циклотрона У-120М Института ядерной физики АН Чешской Республики в Ржеже [5, 6] и на пучках 6He и 6Li, полученных на ускорительном комплексе DRIBs ОИЯИ в Дубне. Детали эксперимента и полученные результаты, включая данные по ИО, подробно описаны в работах [7, 8].
На пути пучка ускоренных ионов 3Не в центре реакционной камеры устанавливались мишенные сборки, состоящие из скандиевых, золотых и платиновых фольг различной толщины (от 4 до 10 мкм и с чистотой не хуже 99%). Обогащенный изотоп 194Pt был нанесен электролитическим методом на титановые фольги толщиной 2.1 мкм, и такие же мишени устанавливались в сборках. В данных экспериментах использовалась интенсивность пучка 3Не до 5 х 1011 с-1. Пучки 6Li и 6He были получены на ускорительном комплексе радиоактивных пучков DRlBs ЛЯР ОИЯИ, представляющем собой тандем из двух ускорителей У-400М и У-400 [9]. Максимальная энергия пучка ускоренных ионов 6He составляла ^10 МэВ/нуклон, а интенсивность достигала 5 х 107 с-1. Энергия пучка 6Li и 6He измерялась с использованием магнитного спектрометра МСП-144 [7, 8].
После окончания каждого сеанса облучения во всех мишенях из 45 Sc,197Au и 194Pt была измерена наведенная 7-активность. Все измерения проводились на HPGe-детекторах с 50%-ной эффективностью относительно Nal (3" х 3") и HWHM 1.8 кэВ
Таблица 1. Характеристики распада и спины исследуемых изотопов в основном и изомерном состояниях
Ядро — продукт реакции Ti/2 Е7, КЭВ Iy , %
44flSc 3.927 ч 2+ 1157.03 99.9
44mSc 58.6 ч 6+ 271.13 86.7
196ду[ 1.84 ч 2- 344.9 2
196m"pj 1.41ч 7+ 505.2 6
695.6 41
198дТ| 5.3 ч 2- 675.9 И
Мвту! 1.87ч 7+ 587.2 52
195gHg 9.9 ч 1/2- 779.80 7.0
195mjl^g 41.6 ч 13/2+ 261.75 30.9
560.27 7.0
197SHg 64.14 ч 1/2- 191.44 0.63
23.8 ч 13/2+ 133.99 33.0
1963 Au 6.183 сут 2- 332.983 22.9
355.684 87
426.0 7
196т2ди 9.6 ч 12- 147.81 43
168.37 7.6
188.27 37.4
198тДц 2.27 сут 12- 180.31 50
204.10 40.8
214.84 77
для энергии 7-квантов 1.3 МэВ. Идентификация образовавшихся в реакциях нуклидов была проведена с учетом энергии 7-распада и времени жизни этих нуклидов, используя ядерные данные, собранные в книге и базе данных [ 10].
В экспериментах были измерены функции возбуждения для интересующих нас ядер Sc, Аи и Т1, образовавшихся в разных реакциях в основном и изомерном состояниях (табл. 1), в широком диапазоне энергий. Детали постановки экспериментов, расчета сечений образования различных изотопов подробно описаны в работах [5—8].
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ 3.1. Изомерные отношения для 44Бс С точки зрения изучения изомерных отношений 44 Бс является интересным ядром вблизи оболочек
Z = 20 и N = 28. Периоды полураспада и интенсивности 7-переходов из 44тSc(6+) в 44дSc(2+) удобны для измерений (табл. 1). Заселение изомерного состояния 44т Sc и полученные в реакциях на 7-лучах и нейтронах значения изомерных отношений для этой пары ядер проанализированы в обзоре [11].
В работах [12, 13] были измерены функции возбуждения для образования 44Sc в основном и изомерном состояниях в реакциях на пучках дейтронов и а-частиц. В реакциях на дейтронах 45Sc(d,t)44 Sc для этого изотопа получено ИО, меньшее единицы. ИО для 44Sc, полученного в реакциях на пучках протонов и а-частиц [13, 14], имеют более высокие значения (^2), чем в прямых реакциях типа (7,р) и а). Недавно была исследована реакция 45 Sc(d,p2n)44g,m Sc при энергии дейтронов выше кулоновского барьера реакции [15]. В этой работе также получено относительно большое значение ИО (^1.5), характерное для реакций, протекающих через образование составного ядра.
На рис. 1 приведены измеренные нами функции возбуждения для образования 44 Sc в основном и изомерном состояниях в реакции 45Sc(3 а)44Sc, а также вычисленная зависимость ИО от энергии бомбардирующих частиц 3^ [5, 16]. В реакциях такого типа на ядрах вблизи замкнутых оболочек с положительным значением Q, как и в реакции а), заселяются, по-видимому, частично-дырочные состояния, образовавшиеся при разрыве нейтронной пары и захвате одного из нейтронов. Остальные нуклоны с большой вероятностью остаются в ядре на прежних уровнях. Видно, что измеренное в этой реакции ИО для 44Sc ниже, чем в ранее приведенных реакциях слияния, и в области выше кулоновского барьера реакции оно практически не изменяется с ростом энергии 3
Таким образом, из краткого анализа экспериментальных результатов по образованию изомера 44Sc в различных реакциях можно заключить, что для 44Sc значения ИО и его поведение с ростом энергии бомбардирующих частиц сильно зависят от механизмов ядерных реакций (реакции, протекающие через образование составного ядра, или прямые реакции передачи).
3.2. Образование изомеров в ядрах
вблизи оболочек Z = 82 иN = 126 на пучках слабосвязанных и радиоактивных ядер
3.2.1. Реакции полного слияния с последующим испарением нейтронов и заряженных частиц. Перейдем к рассмотрению образования атомных ядер в основном и изомерном состояниях вблизи оболочек Z = 82 и N = 126. В качестве
а, мбн
101 -
100
(ат/а§) х 10
20 25
£лаб, МэВ
Рис. 1. Функции возбуждения продуктов реакции 45Sc(3а)44Sc (верхняя панель) и ИО для 44Sc (нижняя панель) в зависимости от энергии 3■ — 44д Sc(2+
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.