Ионизация внутренних атомных оболочек в процессе ядерного рассеяния и α-распада тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 530.172.12 : 537.531.2 : 530.184 : 530.Ш

УЛЬЯНОВА ОЛЬГА ВАСИЛЬЕВНА

Ионизация внутренних атомных оболочек в процессе ядерного рассеяния и ос-раснада

Специальность: 01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ЛЮСКВА — 1991

(\ (

Работа выполнена на кафедре физики атомного ядра физического факультета МГУ и в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители: профессор

кандидат физико-математических наук

Анатолий Филиппович ТУЛИНОВ,

Николай Владимирович ЕРЕМИН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

Геннадий Леонидович ЮДИН,

Игорь Михайлович

пискарев

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований г. Дубна.

0>

Защита диссертации состоится «. У.» . т^^гЛ-. . . . 1991 г.

в «. .» час. на заседании специализированного совета К-053.05.23 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова. Адрес: Москва, 119899, ниияф МГУ, 19-й корпус, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан * .Ч~.» . ......1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета ч '<

кандидат физико-математических наук N

О.* В." ЧУМАНОВА

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. ' Актуальность работы. Настояиая работа выполнена на стыке интересов ядерной физики и • физики ион-атомных столкновений. Исследования в этой области, получившие свое развитие в последние' несколько лет, дают уникальную информацию как о динамических характеристиках ядерных превращений, так и о механизмах перестройки атомной оболочки под действием быстрых заряженных частиц.

Актуальность изучения электронных возбуждений, сопрововдаюдих ядерные взаимодействия, определяется необходимостью применения знаний об этих процессах при решении важнейших задач науки и техники, таких, например, как создание новых типов лазеров, разделение изотопов тяжелых элементов, термоядерный синтез и т.д. Следует отметить и прикладной аспект исследований ион-°тошых столкновений, связанный с развитие^ методики ионо-флуоресцентного анализа под действие/* пучков тяжелых заряженных частиц.. Данная методика находит все большее применение при разработке технологии.изготовления интегральных микросхем, в медицине, геологии, а такге при проведении экологической экспертизы.

В данной работе исследована возможность изучения процессов образования н распада возбужденных состояний ядер с помощью эффектов, связанных с перестройкой электронных оболочек атома. Так, интерференционные явления в выходах характеристического рентгеновского излучения при ионизации внутренних атомных оболочек в реакциях под действием быстрых заряженных частиц позволяют определять времена жизни ядерных состояний в диапазоне от 10"19 до 10~2' г., что соответствует энергиям возбуждения ядер порядка нескольких десятков ИэВ. При ятях

энергиях динамика протекания ядерных реакций определяется несколькими конкурирующими механизмами, такими как образование составного ядра, прямые и предравновесные процесса.

Использование методик, основанных на регистрации характеристического рентгеновского излучения, в такой традиционной области ядерной физики низких энергий, как а-распад и спонтанное деление тяжелых ядер, может не только подвергнуть серьезной проверке существующие теоретические модели, описывающие ядерные превращения, и имеющиеся экспериментальные данные, но и дать уникальную информацию о процессе кластеризации о-частиц на поверхности ядра, пространственной конфигурации делящейся системы и т.д. Возможность развития методики регистрации рентгеновского излучения, сопровоадающего ядерное взаимодействие, в значительной степени связана с успехам!! дальнейшего как экспериментального, так и теоретического исследования процесса ионизации атома. При этом основной акцент таких исследований в последнее время сместился в сторону анализа дифференциальных характеристик процесса ионизации, . таких как распределение вероятности ионизации в зависимости от прицельного параметра столкновения ядер, энергетические спектры внйитых электронов и т.п., дающих более полную картину изучаемого явления.

Цель работы. ^,

1. Разработка к создание методики измерения энергетических спектров электронов, выбитых с внутренних атошых оболочек при ядерных превращениях.

2. Апробация методики измерения энергетических распределений выбитых электронов на примере ионизации к-оболочки етома при а-распаде тяжелых ядер.

3. Развитие кзантовомахашпаского подхода к описанию процесса ионизации внутраниих оболочек атома в ядерных преврзаекиях в раьках метода искаяенных волн и в-матричной теории ядерная реакций. Исследование влияния различных этапов протекания ядерного процесса ( формирование продукта ядерного Ейпкгодэйствия внутри ядра, его прохождение через кулоновский барьер и движение во внешней по отношению к ядру области ) на форму энергетического спектра выбитых электронов и полной вероятности ионизации оболочки,

4. Экспериментальное изучение на примере резонансной ядерной рсякциа 27А1(р,р) влияния конечного времени жизни состеоной ядерной скстеш на вероятность ионизации к-оболочки атоиз.

Научная новизна работы. Разработана акспериментальная ьгетодкка, позволяющая производить измерения энергетических распределений электронов, выбитых с внутренних атомных оболочек я рроцосса ядерного превращения,

С поетпьв атой методики впервно измерены абсолютные значения выходов к-элс;:тронов при о-распадо изотопов полония 'я р,';она. '

Еизрзыэ ивьэрснн вероятности ионизации к-оболочки атомов аетяшия в процессе ядерной реакции г7А1(р,р), протекаваей с всоСугж:".'зп гзодфоввпках резонансных уровней составного ядра при энергиях нплэтаяцего протона Ег- 1183, 1365 и 1723 кэВ.

Разработан квантовомаханнческий подход к опасаниа процесса ионизация внутренних оболочек ато^з, сопроволдашзго ядерное провра^зккя, основанный на методе искажении* волк и й-матркчаой теория ядерных реакций, к учитывавший вклад в вероятность ионизация от подкулоковской и внутриядерной областей

конфигурационного пространства волновых функций относительного ядерного движения.

На примере резонансной ядерной реакции 27АИр,р) и а-распада ряда изотопов Ро и йп исследовано влияние подбарьерной области на вероятность ионизации к-оболочки атома.

Практическая ценность работы. Разработанная методика измерения выхода характеристического рентгеновского излучения в совпадении с частицами - продуктами ядерных реакций может быть использована для проведения корреляционных измерений в ядерных реакциях под действием заряженных частиц, а также при выполнении ре1от по микроэлементному анализу многокомпонентных образцов - в частности, для определения сверхмалых концентраций тяжелых «-радиоактивных атомов в конструкционных материалах интегральных микросхем. Достигнутая в ходе выполнения работы надежность электронной аппаратуры позволяет проводить долговременные ' эксперименты с многомерными измерениями в течение нескольких месяцев, ' что открывает возможность сверхпрецизионных исследований.

Полученные экспериментальные данные о временах протекания ядерной реакции 27АКр,р> яри различных резонансных энергиях налетающих протонов могут быть использованы для проверки существующих теоретических подходов к описанию структуры возбужденных состояний атомных ядер.

, Результаты изучения энергетических спектров выбитых электронов при а-распаде тяжелых ядер могут послужить основой для дальнейшего совершенствования теоретических представлений о механизме ионизации внутренних атомных оболочек тяжелыми заряженными частицами.

Предложенная теоретическая модель, а также разработанный

на иш рс пакет программ для расчета характеристик процесса ионизации внутренних оболочек атома при ядерном рассеянии или а-распаде тяжелых ядер и обработки экспериментальных данных, могут бить использованы" для решения разнообразных фундаментальных и прикладных задач физики ион-атомных столкновений.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Разработанная методика измерения энергетических распределений электронов, выбитых с внутренних оболочек атома в процессе ядерных превращений.

2. Измеренные с помощью данной методики энергетические распределения к-электронов, выбитых в состояния непрерывного спектра при а-распаде ряда изотопов тяжелых ядер.

3. Метод расчета дифференциальных и полных сечений и вероятностей ионизации внутренних оболочек атома при ядерном рассеянии или а-распаде, основанный на приближении искаженных волн и и-матричной теории ядерных реакций при низких энергиях.

4. Результаты анализа в рамках предложенного метода влияния динамики протекания ядерного рассеяния или а-распада на вероятности ионизации и энергетические распределения выбитых к-электронов. Теоретическое подтверждение наличия влияния относительного движения /ядер в подбарьерной области на вероятность ионизации к-оболочки атома на примере ядерной реакции 27АКр,р), протекающей с возбуждением ряда изолированных резонансных уровней составного ядра 2631, в диапазоне энергий налетавшего протона от I до 2 ЫэВ.

5. Измеренная зависимость вероятности ионизации ь-оболочкя атомов 'золота протеками с энергией ~ 3 ШН от прицельного параметра столкновений и результат теоретического а н».таза

угловых зависимостей вероятностей ионизации L-подоОояочек для данного случая.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались

- на специализированных семинарах .лаборатории ядерных реакций ОФАЯ НИИЯФ;

- на II Всесоюзном семинаре по временамгжизни возбузденных ядерных состояний, г.Ленинград, 1388 г.;

- на х Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений, г.Ужгород, 1988 г.;

- на xxxix Всесоюзном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, г.Ташкент, 1989 г.;

- на XV Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений, г.Брайтон, Великобритания, IS87 г.;

- на XVI Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений, г.Нью-Йорк, СИЛ, 1989 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы п работах р-7].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 119 страниц машинописного текста, 22 рисунка , 1Б таблиц и 15S наименований цитированной литературы, 'всего 163 страницы.

Z. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований.

сформулированы цели работы и описано содержание отдельных глав.

В первой главе дан обзор современного состояния методов изучения динамики протекания ядерных реакций, основанных на явлении ионизации внутренних оболочек атома при ядерном рассеянии. Представлены имеющиеся к настоящему времени результаты применения двух методов измерения времен жизни возбужденных состояния составных ядер:

а) метода, основанного на интерференционных явлениях при ионизации внутренних атомных оболочек;

б) метода сравения времени жизни составной ядерной системы с вре?гзнем заполнения возникающей в процессе реакции вакансии во внутренней оболочке объединенного атома.

Кратко охарактеризовано современное состояние вопроса о влиянии конечного времени жизни составной ядерной системы на величину вероятности радиационного захвата электрона атома-мишени налетающим ионом.

Показано, что одной из наиболее существенных проблем на пути использования всех методов изучения динамики протекания ядерных реакций, основанных на регистрации характеристического рентгеновского излучения и б-электронов, является необходимость знания величин вероятностей ионизации внутренних атомных оболочек при влете падающей частицы в ядро-мишень и при вылете продукта реакции в момент распада составной ядерной системы.

Вторая глава посвящена теоретическому описанию процесса ионизации внутренних атомных оболочек, сопровождающего ядерное взаишдействпе. Дан обзор современного состояния методов расчета сечений и вероятностей ионизации атома при кулоновском рассеянии, в ядерных реакциях и при a-распаде тягелих ядер. Детально обсуждены основные используемые модели ионизации: классическое приближение { ЕЕА - Binary Encounter

Approximation ), ПЛОСКОВОЛНОВОв бОрНОВСКОе приближение ( PWBA -Plana Wave Born Approximation ), ПОЛуКЛЭССИЧеСКОе приближение ( SCA - Semlclassleal Approxloation ) И МвТОД ИСКажеННЫХ ВОЛН ( L..BA - Distorted Wave Born Approximation ). Критически

проанализированы пределы применимости этих моделей. Показана проблематичность применения веа к описанию процесса ионизации' внутренних атомных оболочек при «-распаде тяжелых ядер.

Отмечено, что при описании ионизации атома в процессе о-распада тяжелых ядер в полуклассическом приближении несколькими авторами были предприняты попытки исследовать влияние туннелирования а-чаетицы под кулоновским барьером ядра на вероятность ионизации к-оболочки атома. Вопрос же о вкладе в вероятность ионизации процесса типа внутренней конверсии ( NVE

- Nuclear Volume Effect ) ДЛЯ. а-раСПЭДа ИССЛеДОВВН Не бЫЛ.

Показана неоднозначность известных к настоящему времени экспериментальных и теоретических оценок величины вклада nve в вероятность ионизации внутренних оболочек атома в процессе ядерных реакций, протекающих с возбуждением изолированных резонансных уровней составного ядра.

Подробно описан развитый в настоящей работе метод расчета характеристик процесса ионизации внутренних оболочек атома в ходе ядерных взаимодействий трех типов:

а) кулоновского рассеяния тяжелой заряженной частицы на атоме-мишени;

б) -рассеяния с образованием изолированного резонансного состояния составного ядра; в) о-распада тяжелых ядер.

Изложены основные допущения приближения dwba, на. котором базируется предложенный метод. Представлены результаты расчета электронного формфактора в импульсном представлении с использованием релятивистских дираковских волновых функций

начального и конечного состояний электрона на примере нескольких характерных случаев. Обсуждено построение волновых Функций ядерного рассеяния с использованием R-матричной теории ядерных реакций. Даны выражения для т-матрицы ионизации в асимптотическом приближении, а такяе для поправок к т-матрице от эффекта туннелирования и UVE.

Результата второй главы используются в дальнейшем при анализе конкретных экспериментальных данных.

В третьей главе описана разработанная в ходе выполнения диссертационной работы экспериментальная методика, позволяющая проводит;, пзь.гарения пнергетических распределений электронов, выбитих с ¡".¡¡утренних атомных оболочек в процессе ядерного превращения, в диапазоне энергий от ~ I кзВ до ~ 150 кэВ с энергетическим разрешение» ~ 10 кзВ в условиях ьажго выхода плектропов, когда вероятность ионизации , отнесенная к одному акту ядерного взаимодействия, не превыпает ICfs. С помоцью этой !.:зтодикп вперена измерены . абсолютные значения выходов K-электронов при а-распаде изотопов полония и радона. Произведено сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами теоретического расчета с использованием ;;йантово.'.:еханического подхода к описанию процесса ионизации внутренних оболочек атома, сопровоздзгпего ядерные превракения, основанного па катоде искаженных полч и R-матричной теории ядерник реакций с учетом вклада в вероятность ионизации от подкулонозской и внутриядерной областей конфигурационного пространства волновых функций относительного ядерного двигенил. Показано, что эффекта туннелирования и nve в случае а-распада из оказывают существенного влияния на форму энергетического спектра гь'битых электронов ( см. Рис.1 ). :

Рис.1. Энергетический спектр электронов, выбитых с к-оболочки атома ръ при а-распаде 210ро; эксперимент: * - данные работы Fischbeck H.J., Freedman M.S., Phys.Rev.Lett., 1975, vol.34, p.173-176, нормированные на результаты наиего эксперимента при Ее~ 10 кзВ, о - данные настоящей работы; теория: (I) - Anholt R., Amundeen P.A., Phys.Rev. А, 1982, vol.25, p.169-177, (2) - результат расчета, выполненного в настоящей работе,

(3) - вклад в спектр от монопольной амплитуды ионизации,

(4) —дипольной (Б) - вклад от эффекта туинелирования.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов пс измерению вероятностей ионизации атомов при кулоновском и ядерном рассеянии • протонов МэВ-ных энергий. Измерена зависимость вероятностей ионизации 1.-подоболочек атомов золота протонами с энергией ** 3 МэВ от прицельного параметра столкновений в диапазоне О.Б-Ю'2*; ь « 0,2-Ю"1 ри. Из сравнения экспериментальных данных с результатами теоретического расчета сделана оценка относительной величины вклада монопольных, дипольных и квадрупольных переходов в полную вероятность ионизации подоболочек. На примере резонансной ядерной реакции 27А1(р,р) подробно исследовано влияние подбарьерной области на вероятность ионизации к-оболочки атома. Представлены результаты расчета зависимости вероятности ионизации к-оболочкн атомов. А1 от угла регистрации рассеянных протонов, как при энергиях налетаювдх протонов, соответствующих возбуждению исследуемых изолированннх' резонансных состояний составного ядра 2В31 при нг- 1183 и 1723 кэВ, так и вне резонансов.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации, которые сводятся к следующему:

1. Разработана методика измерения энергетических спектров электронов, выбитых с внутренних атомных оболочек в процессе ядерного превращения или*' рассеяния налетаюпей частицы на ядре-мишени, из данных по энергетическим выходам зарязенных частиц - продуктов реакции в совпадении с характеристически» рентгеновским излучением. Предложенная методика позволяет измерять энергетические спектры выбитых электронов в диапазоне от 10 до 100+150 кэВ даже в тех случаях, когда полная вероятность ионизации на акт ядерного преЕраяеняя ип превышает 10"6.

2. С помощью этой методики впервые измерены абсолютные выходы электронов, выбитгх с к-оболочки при а-распаде изотопов

210 214 216 222

р°. Ро, Ро, Кп, в зависимости от кинетической энергии их конечного состояния.

3. Поставлен эксперимент и получены данные по зависимости вероятностей ионизации Ц>2)3- подоболочек атомов золота при кулоновском рассеянии на ядре 197Au протонов с энергией.3 МэВ от угла рассеяния протона в диапазоне 90° ses 160° ( или от прицельного параметра столкновения в диапазоне 0,5•10*2 pm s ь s 0,2-10"' рт ).

4. Поставлен эксперимент и впервые получены данные по вероятностям ионизации к-оболочки атомов алюминия в процессе ядерной реакции 27А1(р,р), протекающей с возбуждением изолированных резонансных уровней составного ядра E8si при Ег= 1,183, 1365 и 1723 кэВ, а также при кулоновском рассеянии протонов на ядрах z7ai в диапазоне энергий налетающего протона от ~ 1100 до ~ 1800 кэВ.

5. Разработан метод расчета дифференциальных и полных сечений и вероятностей ионизации внутренних оболочек атома при ядерном рассеянии или и-распаде, основанный на. приближении искаженных волн и R-матричной теории ядерных реакций при низких энергиях. Разработан пакет программ на алгоритмическом языке Fortran для вычислительных машин типа ibu PC, позволяющий производить расчеты различных 'характеристик процесса ионизации внутренних. атомных оболочек при ядерном рассеянии или при, о-распаде тяжелых ядер, а также обработку экспериментальных данных.

6. Анализ . полученных экспериментальных данных по зависимости вероятностей ионизации l1>23- подоболочек атомов золота от угла рассеяния 3-КэВных протонов в рамках

пред-яоташого подхода показал необходимость учета вкладов в полную вероятность ионизации от амплитуд различной мультиполы.'ссти до квадрупольной включительно.

Произведен теоретический анализ влияния динамики протекания ядерного рассеяния и а-распада на вероятность йснизацни к-оболочки и энергетические распределения выбитых элзктромоа. Показано, что:

а) для случая а-распада тяжелых ядер расчет полной вероятности ионизации к-оболочки в импульсном представлении приближения искаженных волн с использованием релятивистских водорсдоподобных волновых функций электронов дает более удозгэтсорктелыюе согласие с экспериментальными данными, чем использовавшиеся ранее подходы; учет эффекта туннелирования в конечное счете приводит к возрастанию вклада монопольных переходов на величину от ~ 14 до - 18 % , увеличивающуюся с ростом кинетической энергии испускаемой при распаде я-частицы, что позволяет заключить о возможности использования этого явления для определения времен туннелирования в реакциях типа рь<а,а); вкладом в полную вероятность ионизации от эффекта, связанного с ионизацией в процессе образования «-частицы внутри ядерного объем, можно пренебречь; форма энергетического распределения выбитых с к-оболочки электронов в полной мерз определяется вкладом асимптотической области движения вззшэдзйствуюЕИХ ядер;

б) для ядерной реакции 27А1(р,р>, протекаюцэг. с возбуждением изолированных резонансных уровней составного ядра 2а31. необходимо учитывать вклады от монопольной я дапольной а мл л:;; - копизации; вклэдзми зффэктов туннелирования гг внутриядерного объема для исследованных в настоящей * работе резокаксов -ютно пренебречь; от'^чеио вжл'яэ конечного времени

жизни составной ядерной системы на угловую зависимость

вероятности ионизации к-оболочки.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. NiV.Eremln, V.F.Strizhov, A.F.Tulinov, O.V.Ulyanova. K-ehell lonlsatlon in a-decay of Po isotopes. - Nuovo Cim., 1987, vol.97A, No.5, p.629-632.

2. N.V.Eremin, O.Y.Ulyanova, Energy epectrum oi K-electrona from a-decay of heavy nuclei. - Abstracts of the contributed papers XV ICPEAC, Brighton, Great Britain, 1987, p.627.

3. Н.В.Еремин, В.Ф.Стрижов, А.Ф.Тулннов, О.В.Ульянова. Измерение времени жизни возбужденных состояний ядра 2Ssi с помощью интерференционных эффектовj возникающих при ионизации внутренних атомных оболочек в ядерных реакциях. -Укр. Физ. Журн., 1989, Т.34, N II, С.1631-163Б.

4. Н.В.Еремин, В.Ф.Стрижов,. О.В.Ульянова.' Измерение вероятности ионизации L—оболочки атомов золота быстрыми протонами. -Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений, г.Ужгород, 1988, т.1, с.95.

Б. Н.В.Еремин, У.Зодан, В.Ф.Стрижов, О.В.Ульянова. Изучение энергетических спектров электронов, выбиваемых с внутренних атомных оболочек при о-распаде изотопов полония. - Тезисы .XXXIX' Всесоюзного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, г.Ташкент, 1989, с.249.

6. N.V.Eremin and O.Y.Ulyanova. Measurement of the probability of L-shell ionosation of Au atoms by fast protons.-Abstracts of the contributed papers XVI ICPEAC, New York, USA. 1989, p.439.

- V5 -

7. N.Y.Eremln and O.V.Ulyanova. Ejection of K-electrons In a-decay of heavy nuclei.- Abstracts of the contributed papers XVI ICPEAC, Hew York, USA, 1989, p.451.

Подписано к печати 15.04.1991 г. Форма? Шя90 I/I6 Объем I усл.п.л. Тираа 100 экя. Закаа П> i/ty

Отпечатано на ротапринте ФЭИ, г.Обнинск Kaayrxrtofl оба.