ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2008, том 71, № 7, с. 1155-1164
ЯДРА
ФИЗИКА С ПУЧКАМИ РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР
© 2008 г. Ю. Э. Пенионжкевич*
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия Поступила в редакцию 17.10.2007 г.
Дан обзор последних результатов по исследованию структуры ядер и механизма ядерных реакций с использованием ускоренных пучков радиоактивных ядер. Приведены результаты, полученные в Дубне на ускорительном комплексе ЭШВз, а также на других "фабриках" радиоактивных пучков.
РАС Б: 25.60.-t
1. ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные исследования с использованием пучков радиоактивных ядер являются интенсивно развивающимся направлением физики тяжелых ионов, которое за последние 30 лет прошло несколько этапов. С появлением первых пучков тяжелых ионов ядерная физика получила мощный метод для изучения фундаментальных свойств ядерной материи. Расширение исследований с пучками тяжелых ионов объясняется созданием во многих странах мира новых мощных ускорителей тяжелых ионов средних и промежуточных энергий.
Второй важный этап исследований с пучками тяжелых ионов связан с использованием радиоактивных мишеней, что существенно расширило возможности синтеза новых экзотических ядер от супернейтроноизбыточных изотопов легчайших элементов [1] до сверхтяжелых элементов [2].
И наконец, создание ускорителей нового поколения, позволяющих получать высокоинтенсивные (до 1014 с-1) пучки заряженных частиц от протонов и ядер гелия до ионов урана, способствовало в последнее время появлению нового этапа исследований с использованием пучков радиоактивных ядер. Это направление ядерной физики дало возможность обнаружить ряд интересных явлений, связанных со свойствами экзотических ядер, удаленных от области ^-стабильности. С помощью пучков радиоактивных ядер с интенсивностью до 107 с-1 были проведены уникальные эксперименты по изучению взаимодействия таких ядер с веществом мишени. Измерены сечения взаимодействия, и из их анализа получена информация о нуклонных радиусах ядер. Обнаружен аномально большой радиус распределения нейтронов (нейтронное гало) в ядре 11 Li, ведутся поиски нейтронных гало в ней-троноизбыточных ядрах 6He, 8He, 14Be и др. [3], а
E-mail: pyuer@lnr.jinr.ru
также протонных гало (аномально большой радиус распределения протонов) в нейтронодефицитных ядрах 8В,17Ыеи др. [4].
Использование пучков радиоактивных ядер в физических исследованиях сводится к трем проблемам: получение самих пучков соответствующей интенсивности, ускорение их до необходимой энергии и регистрация продуктов ядерных реакций с радиоактивными ядрами. Решение этих проблем достаточно подробно описывается в работе [5]. Наиболее эффективным методом получения интенсивных пучков радиоактивных ядер является 1БОЬ-метод, который в основном и используется в настоящее время на всех ускорительных комплексах. Почти во всех крупных центрах, располагающих сильноточными ускорителями, действуют так называемые фабрики радиоактивных пучков. В рамках ЕЭС создается ряд таких фабрик (рис. 1). В Дубне на базе двух циклотронов Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ создан ускорительный комплекс пучков радиоактивных ядер (ОН1Вб-1), который имеет в настоящее время пучки 6Не рекордной интенсивности (до 108 с-1). Идет проектирование второй очереди этого комплекса (он1вб-2), который позволит получить пучки радиоактивных ядер-осколков фотоделения [6]. Пучки ускоренных радиоактивных ядер дают возможность получать и изучать ядра с максимально допустимым числом нейтронов (нейтроноизбыточные) или протонов (протоноизбыточные). Это позволяет существенно продвинуться в традиционных направлениях ядерной физики — в синтезе новых ядер и изучении их свойств, которые, как показали уже первые эксперименты с радиоактивными пучками, могут значительно отличаться от известных и предсказанных ранее для ядер долины стабильности. Принципиально новая информация может быть получена о механизме ядерных реакций с такими пучками, на который значительное влияние будет оказывать структура взаимодействую-
2015 г.
2010 г.
2005 г.
2000 г.
Louvain ISOL 1-3 A МэВ
SPIRAL 2
ISOL 1-20 A МэВ
SPIRAL
ISOL 25 A МэВ
HIE ISOLDE
ISOL >3 A МэВ
Rex ISOLDE
ISOL 3 A МэВ
EURISOL DS 6FP
1 ГэВ (протоны)
ISOL 100 A МэВ
Действующие
Создаваемые
Разрабатываемые
Проекты
Рис. 1. Действующие и создаваемые в Европе фабрики пучков радиоактивных ядер.
щих ядер. Радиоактивные пучки эффективно используются для исследования в области астрофизики и прикладных исследований. Не останавливаясь на всех проблемах, выделим лишь те из них, для решения которых использование радиоактивных пучков играет принципиальную роль.
2. МАССЫ И ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ЯДЕР
Экспериментальное определение энергий связи и масс ядер является одной из фундаментальных проблем ядерной физики. Эта задача непосредственно связана с возможностью получения пучков радиоактивных ядер. Появление таких пучков позволило измерять массы радиоактивных ядер с большой точностью (AM/M w 10_6), для чего обычно используют времяпролетные системы с достаточно длинной пролетной базой (L w 2—3 км). В этом случае разрешение по массам определяется соотношением
AM/M = 2[AT/T + AL/L] + AE/E.
Большой цикл измерений масс легких ядер был предпринят на ускорительном комплексе GANIL (Франция) с использованием специального магнитного спектрометра с пролетной базой 82 м. В этих экспериментах были изучены радиоактивные ядра от 27F до 46Cl и определены их массы [7].
Энергия отделения двух последних нейтронов, Б2п, определяет энергию связи и записывается в виде
Б2п(А, 2) = [ДМ(А - 2, 2) -- ДМ(А, 2)+2ДМп]С2,
где ДМ (А, 2) — избыток масс для ядра ^ ХА, ДМп — избыток массы нейтрона, равный 8.071 МэВ.
Зависимость энергии связи от числа нейтронов — относительно плавная кривая, которая меняет свой ход вблизи замкнутых оболочек, так как энергия связи нейтрона максимальная для магических ядер.
На рис. 2 представлены зависимости энергии отделения одного нейтрона и энергии 2+ -уровня в зависимости от числа нейтронов в ядрах. Эти зависимости показывают проявление оболочек N = 20 и N = 28 для изотопов Aг, Ca и Ть Однако измеренные не так давно значения энергии 2+ -уровня для ядер 32Mg (Е(2+) = 885.5(7) кэВ, Е(4+) = = 1430(3) кэВ) и 44S (Е(2+) = 1297(18) кэВ) [8] показали, что они сильно деформированы. Кроме того, открытие в ядре 43 S изомерного состояния с энергией перехода Е = 319 кэВ и временем жизни Т\/2 = 488 ± 48 нс [9] показало, что в этом ядре
S1n 18
, МэВ
14
10
■ Ar • Ca ATi
£(2+), МэВ
18 22 26 30 Число нейтронов
18 22 26
Число нейтронов
Рис. 2. Зависимости энергии связи одного нейтрона (а) и энергии 2+-перехода (б) для изотопов Аг, Са, Т1 от числа нейтронов.
могут сосуществовать две формы — сферическая и деформированная, впервые предсказанная Люто-станским для 31 Na [10].
В 1975 г. для 31 Na [11] были получены аномальные значения массы и периода полураспада. Ядро 31 Na, находящееся далеко от долины стабильности, оказалось более связанным, чем ожидалось. В дальнейшем такая же ситуация была обнаружена и для изотопов магния (31-33Mg).
Для объяснения свойств ядер в этой области было высказано предположение о нарушении привычного порядка заселения нейтронных под-оболочек, которое состоит в том, что нейтроны не заселяют низколежащие орбитали sd, образуя свободное дырочное состояние, а переходят на более высоко расположенные pf-орбитали, образуя заполненное состояние. Это приводит к тому, что ядро становится деформированным. Такое состояние получило название "intruder". Область ядер, где проявляются подобные эффекты, получила название области инверсии.
На рис. 3 показана экспериментальная зависимость энергии связи двух последних нейтронов (S2n) от числа нейтронов. Видно, что на энергию связи изотопов Са, К и Ar влияют замкнутые оболочки N = 28. Однако для изотопов Mg, S, P, Si, Cl увеличение энергии связи наблюдается в районе N = 22 и N = 26. Особенно наглядно видно исчезновение оболочки с N = 28 и появление
новой с N = 26 для изотопов С1. Измеренная экспериментально [12] энергия связи двух нейтронов Б2п для изотопов 41Б1, 43Р и 44Б существенно ниже экстраполированных значений из таблиц масс (см. таблицу). Этот факт также свидетельствует об ослаблении влияния замкнутых оболочек. Для изотопов С1, Б и Р наблюдается повышение энергии связи нейтронов вблизи N = 20 и N = 26 по сравнению с изотопами Са, Ыа и Аг, что можно объяснить деформацией, которая образует более связанную конфигурацию ядер.
Таким образом, вблизи чисел нейтронов N = 22 и N = 26 для нейтроноизбыточных ядер возникают новые области деформации, которые определяют стабильность этих ядер.
В работе [13] измерялось эффективное сечение взаимодействия ядер 22Ы, 230, 24Е Из сравнения этих сечений с сечениями взаимодействия для других ядер был сделан вывод о существовании
Сравнение экспериментальных и экстраполированных энергий связи двух нейтронов (Б2п) для ядер 41Б1, 43Р,
44 Б
Изотоп й^кэВ S?„tr, кэВ
41Si 4510(1870) 6450(720)
43 р 5680(850) 8220(690)
44 § 7610(420) 9780(600)
a
4
3
2
6
1
S2„, КЭВ
20000
10000
dmexp - dmfrldm, кэв
4000 -
2000
14 18 22 26
Число нейтронов
2000 30 15
20
30
Число нейтронов
Рис. 3. а — Зависимость энергии отделения двух нейтронов от числа нейтронов для Ne—Ca изотопов. б — Разница между экспериментальными массами и рассчитанными по микроскопической модели вблизи оболочек N = 20, 28.
Оболочечная поправка, МэВ 24- Ca
16
16
6 8
2 2
II II
24
+20 МЭВ
+15 МЭВ +10 МЭВ
+5 МЭВ
32
Число нейтронов
Рис. 4. Изменение оболочечной поправки к микроскопической модели в зависимости от числа нейтронов для ядер Б1—Ca вблизи оболочек N = 20, 28.
0
0
8
0
новой оболочки с N = 16. Предположение о существовании новых замкнутых оболочек было сделано из экспериментов по измерению масс ядер. В этом случае, сравнивая экспериментальный избыток масс с расчетами по макроскопической модели жидкой капли (FRLDM — Finite-Range Liquid-
Drop Model), можно получить изменение оболочеч-ной поправки в зависимости от числа нейтронов в ядре. На рис. 4 представлены такие зависимости для изотопов Са, S и Р м
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.