научная статья по теме ТОЧНОСТЬ ПРИБЛИЖЕННЫХ ФОРМУЛ КРАМЕРСА ДЛЯ СКОРОСТИ ДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР ПРИ НАЛИЧИИ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ПОПРАВОК Физика

Текст научной статьи на тему «ТОЧНОСТЬ ПРИБЛИЖЕННЫХ ФОРМУЛ КРАМЕРСА ДЛЯ СКОРОСТИ ДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР ПРИ НАЛИЧИИ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ПОПРАВОК»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 3-4, с. 210-217

= ЯДРА

ТОЧНОСТЬ ПРИБЛИЖЕННЫХ ФОРМУЛ КРАМЕРСА ДЛЯ СКОРОСТИ ДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР ПРИ НАЛИЧИИ

ОБОЛОЧЕЧНЫХ ПОПРАВОК

© 2015 г. Е. Г. Дёмина*, И. И. Гончар

Омский государственный университет путей сообщения, Россия Поступила в редакцию 02.05.2014 г.; после доработки 30.06.2014 г.

Исследована точность приближенных формул Крамерса для скорости деления ядер при наличии оболочечной поправки в квазистационарном состоянии. Аналитические скорости сравниваются с численными, полученными в результате динамического моделирования, основанного на уравнении Смолуховского. Показано, что интегральная формула Крамерса оказывается применимой даже при наличии оболочечных поправок. С уменьшением энергии возбуждения ядра ее погрешность монотонно убывает и достигает 2% (точности динамического моделирования), когда безразмерный управляющий параметр (энтропийный барьер) становится больше 4. При небольших и средних значениях этого параметра точность интегральной формулы Крамерса оказывается выше, чем у полученной из нее приближенной формулы Крамерса.

DOI: 10.7868/80044002715010055

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее известных работ, посвященных нахождению скорости теплового распада ме-тастабильного состояния, является статья Крамерса [1]. Крамерса интересовали скорости химических реакций, но он также отмечал, что результаты, полученные в работе, могут быть применены и для описания процесса деления ядер. Через много лет после выхода статьи Крамерса Струтинский [2] сделал попытку обобщить формулу Крамерса на случай сильно нагретых ядер, а в работах [3, 4] были предприняты шаги на пути исследования применимости приближенных формул Крамерса для такого случая.

Чаще всего в литературе можно встретить применение так называемой приближенной формулы Крамерса (ПФК, см. уравнение (17) работы [1]) [5—8]. Она используется в том случае, когда деление описывается без учета зависимости температуры от деформации ядра. В некоторых случаях точность ПФК оказывается недостаточной [9, 10], поэтому в [9] было предложено вместо ПФК использовать интегральную формулу Кра-мерса (ИФК). Она тоже выводилась в [1] для постоянной температуры, но не была там записана в явном виде.

Сейчас по-прежнему есть работы, в которых процесс деления ядер описывается в рамках кано-

E-mail: lenochka.physics@gmail.com

нического ансамбля (КА), т.е. без учета зависимости температуры от деформации [11 — 14]. Однако для такого процесса более подходит описание в рамках микроканонического ансамбля (МКА) [15]. В этом случае роль движущего потенциала вместо потенциальной энергии играет энтропия, а температура ядра является деформационно зависимой. При таком описании потребовались новые аналитические выражения для скоростей. Выражение, аналогичное ИФК, но для МКА, было получено в [ 16] (см. формулу (17)). Затем из ИФК была выведена ПФК (формула (18) той же работы). Сравнение точности этих двух формул для МКА показало, что ИФК позволяет лучше согласовать аналитическую и динамическую скорости, чем ПФК. В работе [17] в МКА была добавлена деформационная зависимость параметра плотности одночастичных уровней (ППОУ). Но даже в этом случае оболочеч-ная структура спектра одночастичных состояний нуклонов остается неучтенной. Устранению этого недостатка и посвящена настоящая работа.

2. МОДЕЛЬ

Известно, что оболочечные поправки (ОП) к потенциальной энергии и ППОУ проявляются тем сильнее, чем ниже энергия возбуждения [18, 19]. Ранее их энергетическая зависимость учитывалась в основном для вычисления статистических скоростей деления [20]. Мы же включили эти поправки также и в расчет динамических скоростей

деления. В основе динамического моделирования лежит одномерное уравнение Смолуховского, которое применимо для режима сверхзатухания. В недавней работе [21] подтверждено, что деление ядер происходит именно в этом режиме (см. также ссылки [13—15] в работе [17]).

Подробный вывод уравнения Смолуховского (УС) был дан в приложении работы [16], поэтому приведем только его вид:

(1)

Здесь д(я, ¿) — плотность вероятности, а 01 и Б2 — дрейфовый и диффузионный коэффициенты, которые в случае МКА определяются следующим образом:

T(q)dS(q) ldT(q)

=-----1-----:

П dq п dq

D2(q) =

T (q)

п

(2)

(3)

В выражениях (2) и (3) п — фрикционный параметр (в настоящей работе для режима сверхзатухания П = 1000 МэВ зс); Т — температура, а 5 — энтропия.

2.1. Оболочечная поправка к потенциальной энергии

Потенциальная энергия и(я) состоит из гладкой части иь (я) и оболочечной поправки 5Е^ (я):

и(д) = иь(я) + Е (я). (4)

иь(д) задается профилем, который хорошо аппроксимирует энергию, вычисленную в [22] в рамках модели конечного радиуса [23]. Выражение для иь имеет вид

[0.5и£з (дс)(д - яе)2 +

иь(я) = \+2У2 (я - Яс)4 , Я<Яс; (5) [ирз(я), я>яс,

где ирз(я) — полином третьей степени:

з

ир з(я) = Е Уяг- (6)

г=0

Коэффициенты Уг выражаются через координаты квазистационарной и седловой точки (яс и яьи) и высоту потенциального барьера AUf: иР3 (яс) =

= ирз (яс) = ирз (яьи) = 0 и и рз (яьи) = AUf.

Зависимость 5Е^(я) от деформации ядра мы аппроксимируем выражением

Е(я) = Е (яс) А-1 [а (я - яс)]. (7)

Здесь öEsh (qc) — ОП в квазистационарном состоянии, а коэффициент а определяется по формуле

а = [qbu - qc]-1 ln20. (8)

В настоящей работе на примере |08 Pb мы моделируем процесс деления ядер, имеющих в квазистационарном состоянии сферическую форму. Для указанного ядра высота жидкокапельного барьера деления AUf = 13.28 МэВ, 5Esh (qc) = = -12.74 МэВ, qc = 1.00, qbU = 1.86, qa = 2.14.

2.2. Оболочечная поправка к параметру плотности одночастичных уровней

ППОУ, как и потенциальная энергия, состоит из гладкой части и ОП [20, 24]. Гладкая часть ППОУ, aL, задана следующим образом:

aL(q) = aiA + a2A2'3Bs(q). (9)

В этом выражении A — массовое число ядра, а значения a1, a2 и Bs такие же, как в работе [17].

Параметр плотности уровней с учетом ОП имеет вид

a (q, Eint) = aL (q) x (10)

x {1 + f (En) öEsh(q)E— } .

Здесь Eint — внутренняя энергия возбуждения ядра, определяемая как Eint = E — U(q), где E — полная энергия возбуждения, которая задается ядерной реакцией. В расчетах значение E фиксировано, а значение Eint изменяется в зависимости от U(q). Функция f (Eint) стремится к единице при больших значениях Eint:

f (Eint) = 1 — exp(-kEint)

(11)

где к = 0.054 МэВ-1 [19]. Из формул (10), (11) видно, что с повышением полной энергии возбуждения ОП в а(я) исчезает, и ППОУ стремится к своей гладкой части аь(я).

2.3. Оболочечная поправка к энтропии Энтропия, играющая роль движущего потенциала в нашей модели, связана с потенциальной энергией и ППОУ через соотношение ферми-газа:

ЗД = 2^а(<?) (Е-и(я))- (12)

Учет оболочечных поправок в и(я) и а(я) приводит к тому, что через выражение (12) ОП оказываются включенными ив 5. Температура в МКА зависит от координаты и находится как

Т{я) = ^[Е-и{я)]/а{я).

(13)

В настоящей работе моделирование процесса деления проводилось в четырех вариантах:

1) канонический ансамбль, в котором в качестве движущего потенциала используется иь(я), а температура и ППОУ деформационно не зависимы (Тс = Т (яс) и аьс = аь (яс)). Этот вариант дальше будет обозначаться как КА;

2) микроканонический ансамбль, в котором вместо иь (я) используется Б(я), а также деформационно зависимая температура Т(я) и постоянный ППОУ аьс. Дальше такой ансамбль обозначается как МКА- аьс;

3) МКА, как в 2), но с аь(я) вместо аьс. Обозначение для него — МКА-аь;

4) как случай 3), но с учетом оболочечных поправок к потенциалу, ППОУ и энтропии. Обозначается далее как МКА-а.

На рис. 1 представлены деформационные зависимости и (я) и нормированной энтропии 2(я), которая находится следующим образом:

1(я) = №с - 5(я)] Тс.

(14)

совпадают на рис. 1г. Зато ОП становятся существенными и приводят к повышению барьера деления: из трех нормированных энтропий 2, представленных на рис. 1г, та, что вычислена для МКА-а (темные квадраты), в окрестности седловой точки располагается заметно выше двух других.

Поскольку учет деформационной зависимости ППОУ и наличие ОП влияют на высоту и положение барьера деления, будут меняться и скорости деления, о которых подробно рассказывается в следующем разделе.

3. ДИНАМИЧЕСКИЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ СКОРОСТИ ДЕЛЕНИЯ

3.1. Динамические скорости деления

Численное решение УС (1) позволяет найти д(я, Ь), с помощью которой вычисляется динамическая скорость деления Щ в точке, с координатой яг:

Здесь Тс и Бс относятся к квазистационарному состоянию. Нормированная энтропия ведет себя подобно потенциалу, что позволяет сравнить их между собой.

На рис. 1а тонкой и жирной кривыми показаны иь и и. Сравнивая их значения в яс (левая вертикальная линия на этом рисунке), можно увидеть величину (яс). На рис. 1а расчет выполнен для большого значения полной энергии возбуждения Е = 215 МэВ. В этом случае иь(я) совпадает с 2(я), вычисленной для МКА-аьс. Это обусловлено эквивалентностью КА и МКА при больших энергиях. Подробное объяснение данного эффекта было дано в работе [17]. В этом случае положения седловых точек для иь и 2 (яьи и яья соответственно, правая вертикальная линия) совпадают.

На рис. 1б показано поведение 2(я) для четырех рассматриваемых вариантов расчета. Видно, что учет аь(я) приводит к понижению барьера деления, определенного через 2 (АН/ = 2с — 2(яьв)) и смещению седловой точки яья в сторону яс. Влияние аь(я) на 2(я) проявляется только при больших энергиях возбуждения и является довольно известным эффектом [25]. Добавление ОП не приводит к заметным изменениям в поведении 2(я) (линии с вертикально полуоткрытыми и закрытыми квадратами совпадают). Это связано с тем, что ОП существенны лишь при малых значениях Е.

Рисунки 1в и 1г соответствуют случаю низкой энергии (Е = 35 МэВ). На рис. 1в 2(я) начинает отличаться от иь(я) в окрестности седловой точки. Это обусловлено учетом Т(я) при расчете 2 (см., например, [16, 17]). Зависимость аь(я) при низкой Е почти не влияет на 2: линии с вертикально и горизонтально полуоткрытыми квадратами почти

Кг(1) = { Бг (яг) д Ш) —

(15)

д

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.

Показать целиком