= ЯДРА
ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ НА ИЗОТОПАХ ТИТАНА
© 2015 г. С. С. Белышев1), Л. З. Джилавян2), Б. С. Ишханов1)-3), И. М. Капитонов1^ А. А. Кузнецов3)*, В. Н. Орлин3), К. А. Стопани3)
Поступила в редакцию 14.07.2014 г.; после доработки 09.09.2014 г.
С помощью 7-активационной методики исследовано фоторасщепление изотопов титана в области гигантского дипольного резонанса. Использовалось тормозное излучение с верхней границей 55 МэВ. Определены выходы и интегральные сечения фотопротонных реакций на изотопах 47А8,49,50Ti. Результаты эксперимента сравниваются с расчетами по программе TALYS и комбинированной модели фотонуклонных реакций. Программа TALYS, не учитывающая изоспиновую структуру ГДР, не описывает выход фотопротонных реакций на тяжелых изотопах титана 49,50
DOI: 10.7868/S0044002715020099
1. ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие фотонов с атомными ядрами при энергиях, превышающих энергии отделения нуклонов и примерно до 40 МэВ, определяется возбуждением фундаментальной коллективной ядерной моды — гигантского дипольного резонанса (ГДР). Характеристики ГДР, прежде всего его форма и вероятность распада по различным каналам, "чувствительны" к индивидуальным особенностям ядра — его массовому числу A и соотношению между числом протонов и нейтронов Z/N в нем. Таким образом, изучая фоторасщепление ядер, можно проследить и понять, как связаны индивидуальные характеристики ядра, находящегося в основном состоянии, с характеристиками этого же ядра в области энергий, отвечающих возбуждению ГДР. Техника современного фотоядерного эксперимента позволяет "увидеть", как изменяются характеристики ГДР при последовательном изменении числа протонов или нейтронов в ядре-мишени. Наиболее удобными объектами для таких исследований являются цепочки нуклидов в естественной смеси изотопов.
Для подобных исследований лучше всего подходит y-активационная методика. В экспериментах этого типа естественная смесь изотопов облучается тормозным Y-излучением от электронного ускорителя с энергией, превышающей максимум ГДР. В мишени на разных изотопах происходят различные
^Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия.
2)Институт ядерных исследований РАН, Москва.
3)Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.
E-mail: kuznets@depni.sinp.msu.ru
(главным образом фотонуклонные) фотоядерные реакции. Образующиеся в реакциях ядра в ряде случаев ^-активны и после соответствующего распада оставляют конечные ядра в низколежащих возбужденных состояниях, спектр которых хорошо известен. Это открывает возможность, используя 7-спектроскопию высокого разрешения, однозначно выделить определенные каналы фоторасщепления и измерить выход соответствующей реакции. Важным преимуществом данной методики является определение выходов различных реакций на разных изотопах в одинаковых условиях эксперимента. Это позволяет с высокой степенью надежности выявить эффекты изменения основных характеристик ГДР при последовательном изменении числа нейтронов в цепочке ядер в естественной смеси изотопов мишени.
В настоящей работе 7-активационная методика используется для определения выходов фотону-клонных реакций ядер титана, входящих в естественную смесь изотопов этого элемента. Естественная смесь изотопов ^ содержит пять изотопов (в скобках указано процентное содержание): ^ (8.0), (7.3), 48^ (73.8), (5.5), 50^ (5.4). Экспериментальные выходы сравнивались с результатами теоретических расчетов по широко используемой программе TALYS [1] и по разработанной в НИИЯФ МГУ комбинированной модели фотонуклонных реакций (КМФР) [2]. Делаются выводы о предсказательных возможностях этих двух моделей.
2. ИССЛЕДОВАНИЯ ФОТОРАСЩЕПЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ТИТАНА
Более ранние экспериментальные исследования фоторасщепления изотопов титана представлены в
Таблица 1. Результаты более ранних исследований фоторасщепления изотопов титана
Мишень Реакция Е МэВ мбн -Ё'тахч МэВ 0"тЬ МэВ мбн Литература
41 (па!) 4641(7,п) + 0.914741(7,2П) + 1.364641(7,рп) 15.8 18.0 24.1 23.9 25 194 ±40 [7]
41 (па!) 4641(7,п) + 0.914741(7,2П) 20.5 31 31 260 ± 34 [3]
41 (па!) 46Ti(7, пр) 28.5 5 31 4.4-8.8 [3]
4641 (81.2) (7, р) + (7, пр) + 2(7, 2р) [из (е, е'р)] 20.3 37 25 216 [4]
44 (па!) 4741(7,р) + 10.14841(7 ,пр) 21 23 31 246 ± 38 [3]
41 (па!) 4841(7 ,р) + 0.0754941(7, пр) 22.5 28.5 31 217 ±32 [3]
48 41 (99.3) (7, Р) + (7, пр) + 2(7, 2р) [из (е, е'р)] 20.5 24 32 26 27 238 [6, 9]
48 41 (99.3) (7,п) + (7, пр) + 2(7, 2п) 16.1 17.5 19.5 48.6 46.4 43.6 27 398 ± 25 [9]
41 (па!) 49Т\(~/,р) + 0.985041(7, пр) 21.5 И 31 82 ± 13 [3]
5041(68.1) (7,п) + (7, пр) + 2(7, 2п) 18.3 82 26.3 473 [8]
5041(68.1) (7, Р) + (7, пр) + 2(7, 2р) [из (е, е'р)] 22.6 17.5 26.3 96 [5,8]
41 (па!) 5041(7 ,Р) 22.2 15 31 113 ±32 [3]
работах [3—9]. Данные этих исследований приведены в табл. 1. Во всех работах, представленных в табл. 1, была определена энергетическая зависимость сечения соответствующей реакции фоторасщепления. В столбце "Мишень" в скобках указано изотопное содержание мишени: nat — естественная смесь изотопов, цифра в скобках — процент изотопа в обогащенной мишени. В столбце "Реакция" перед каждой реакцией указывается числовой коэффициент, с которым данная реакция представлена в сечении, образованном несколькими реакциями. Ет — энергии основных максимумов в сечении, ат — сечения в соответствующих максимумах, Emax — максимальная энергия фотонов, до которой исследовалось сечение реакции, а^ — интегральное сечение реакции.
Эксперименты [4—6, 8, 9], представленные в табл. 1, выполнены на обогащенных изотопах титана. Общим недостатком этих экспериментов является не перекрывающая всю область ГДР сравнительно невысокая верхняя граница энергии фотонов: 25—27 МэВ. Выше этой границы располагается высокоэнергичный участок ГДР (его доля в интегральном сечении достигает ^40%), и, что существенно, этот участок занимает ветвь ГДР с большим изоспином.
В исследованиях фотопротонного канала распада ГДР изотопов 46>48>50выполненных в
(е, е'р) -экспериментах [4—6], получены дифференциальные сечения процесса, объединяющего три реакции (^,р) + (^,пр) + 2(^, 2р) при угле регистрации протонов 90°. Была применена техника виртуальных фотонов, использование которой в результате сложности обработки экспериментальных данных уступает использованию реальных фотонов. Кроме того, для получения из дифференциальных сечений полных приходится предполагать изотропию угловых распределений протонов. Определенные погрешности в результаты эксперимента вносит степень обогащения изотопа-мишени. Так, для 50^, фотопротонный канал которого несет важную информацию о роли изоспина в формировании и распаде ГДР изотопов титана, обогащение не превышало 70%. Все это делает задачу исследований фотопротонного канала распада ГДР изотопов титана современной активационной методикой в широкой области энергий фотонного пучка по-прежнему актуальной.
Результаты экспериментальных исследований ГДР четно-четных стабильных изотопов титана 46'48'50^ в работах [3, 4, 7—9] сравнивались с теоретическими расчетами фоторасщепления. Расчеты выполнялись примерно по одной и той же схеме. В качестве ГДР использовалась сглаженная (лишенная структуры) сумма экспериментальных фотонуклонных сечений. Далее рассматривался статистический механизм распада ГДР и учиты-
Таблица 2. Сравнение характеристик изоспинового расщепления ГДР четно-четных изотопов титана, полученных в работе [12] и в рамках стандартного подхода [10,11]
Изотоп Е> — Е< , МэВ
[10,11] [12] [10,11] [12]
46Т1 2.6 3.28 0.79 0.25
48Т1 3.8 7.82 0.35 0.12
50Т1 4.8 7.15 0.20 0.15
Таблица 3. Стабильные изотопы Т1, процентное содержание п изотопа в естественной смеси, пороги указанных реакций на изотопах Е7
Изотоп; содержание Пизотопа в естественной смеси, %
46Т1 47Т1 48Т1 49 Т1 50Т1
8.0
7.3 73.8 5.5
5.4
Пороги реакций Е7йг, МэВ
13.2 8.9 11.6 8.2 10.9
(7,р)(7,пр)(7,2п)(7,2р)
10.3 10.5
11.4 11.4 12.2
21.7
19.2 22.1 19.6
22.3
22.7 22.1 20.5
19.8 19.1
17.2 20.8 19.9 22.8 21.8
Ь, Зп)
39.0
31.6
33.7 28.7 30.7
валось его изоспиновое расщепление. Характеристики изоспинового расщепления рассчитывались с помощью изоспиновых коэффициентов Клебша— Гордана и стандартных формул концепции изоспинового расщепления ГДР [10, 11]:
60
АЕ = Е>-Е< = —(Т0 + 1)[МэЕ], (1)
А
_ / а>(Е)/ЕйЕ _ 1 1-1.5Tq.4-2/3 ~ / а<(Е)/Ес1Е ~ Т0 1 + 1.5А"2/3 :
(2)
I N-2 I
изоспин основного состояния
где Т0 =
ядра; Е> и Е< — средние энергии компонент ГДР с изоспинами соответственно Т< = Т0 и Т> = Т0 + + 1, а а< и а> — сечения изоспиновых компонент. Показано, что без учета концепции изоспинового расщепления ГДР не удается объяснить соотношение между фотопротонным и фотонейтронным сечениями и энергетический сдвиг между ними.
Микроскопический расчет ГДР четно-четных изотопов титана был выполнен в работе [12]. Использовалась версия "частица — состояние конечного ядра (ЧСКЯ)" частично-дырочного формализма модели оболочек. Учитывалось энергетическое распределение дырочных конфигураций, из-
влеченное из данных спектроскопии прямых (р, й)-реакций. Была получена довольно сложная структура ГДР и отчетливое изоспиновое расщепление, характеристики которого приведены в табл. 2 в сравнении с предсказаниями стандартной модели [10, 11]. В предположении только полупрямого распада ГДР были рассчитаны также фотонейтронные формфакторы, воспроизводящие вид экспериментальных фотонейтронных сечений.
Описываемый расчет позволяет оценить также масштаб конфигурационного расщепления ГДР изотопов титана. Его величина невелика, но растет с ростом нейтронного избытка, достигая для 50Т значения 5.0 МэВ.
Все упомянутые расчеты демонстрируют важную роль изоспинового расщепления ГДР четно-четных изотопов титана и требуют дальнейшей проверки справедливости этой концепции на всей цепочке стабильных изотопов титана как в эксперименте, так и в новых теоретических расчетах, учитывающих все основные факторы формирования и распада ГДР.
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ
Используемая нами методика 7-активационных изме
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.