Исследование изомерных отношений в an-реакциях при низких энергиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В .ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Широкова Алла Анатольевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОМЕРНЫХ ОТНОШЕНИЙ В 001-РЕАКЦИЯХ ПРИ НИЗКИХ ЭНЕРГИЯХ

Специальность: 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000

Работа выполнена в отделе физики атомного ядра Научно-исследовательского института ядерной физики им.Д.В.Скобельцына МГУ им. М.В .Ломоносова

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, ст.научн.сотр. Т.В.ЧУВИЛЬСКАЯ

доктор физико-математических наук, профессор

Н.С.ЗЕЛЕНСКАЯ (НИИЯФ, г.Москва) кандидат физико-математических наук, Е.А.ЧЕРЕПАНОВ (ОИЯИ, г Дубна)

Воронежский Государственный Университет

Защита состоится ".гС" .£££¡¿$.¡£2000 г. в ".££7' часов на заседании Диссертационного Совета К-053.05.23 в Московском Государственном Университете им.М.В Ломоносова.

Адрес: Москва, 119899, Воробьевы Горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, ауд.2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан "..£."

Ученый секретарь "" - у

Диссертационного Совета

кандидат физико-математических наук / О.В.Чуманова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Изомерное отношение - отношение сечений образования ядра в изомерном и основном состояниях - является основной величиной, характеризующей выход изомеров в реакциях с заряженными частицами и нейтронами. Изомерное состояние является метастабильным, так как его время жизни заметно отличается от времени жизни обычного возбужденного состояния. Существует три типа изомеров:

1. Обычные изомеры, у которых момент количества движения ме-тастабильного состояния отличается от моментов всех нижележащих состояний на 3 и более единиц /г.

2. К-изомеры - изомеры, у которых все нижележащие уровни со спинами, близкими к спину изомерного состояния, отличаются от него величиной К-проекции спина на ось симметрии ядра, приводящей к К-запрету.

3. Изомеры формы или делящиеся изомеры в тяжелых ядрах - это изомеры, у которых изомерное состояние ядра отличается от нижележащих состояний по форме.

Анализ выходов изомеров в настоящей работе проведен для изомеров, относящихся к первому типу. Такие изомеры наблюдаются в средних и тяжелых ядрах и в большинстве случаев концентрируются в "островах изомерии".

Реакции с а-частицами для изучения изомерных отношений выделяются тем, что в определенном интервале энергий а-частица вносит в ядро наибольший орбитальный момент при наименьшей энергии, что способствует образованию высокоспиновых изомерных состояний по сравнению с другими частицами при одной и той же энергии возбуждения

составного ядра.

Проведены расчеты изомерных отношений в рамках статистической теории ядерных реакций по методу Ванденбоша-Хьюзенги в модели Хаузера-Фешбаха и экситонной модели Гриффина для ряда (ст)-реакций. Расчеты проводились на базе экспериментальных данных, полученных в НИИЯФ МГУ, и включали в себя 3 стадии ядерной реакций с образованием изомеров: 1) слияние а-частицы и ядра-мишени с образованием составного ядра; 2) испарение нейтрона, предравновесного или статистического; 3) разрядка 7-каскадом остаточного ядра в конкуренции с испарением частиц (п,р,а,(1).

Модель Хаузера-Фешбаха хорошо зарекомендовала себя в расчетах спектров вторичных частиц с учетом конкуренции излучения 7-квантов и деления в области энергий налетающих частиц до 20 МэВ. В области более высоких энергий для описания высокоэнергетичной компоненты спектра частиц необходимо привлечение экситонной модели. Объединение моделей позволяет расширить круг анализируемых экспериментальных данных и исследовать более широкую область энергий возбуждения.

При построении единого подхода экситонной модели и модели Хаузера-

Фешбаха обычно делается ряд предположений относительно механиз-

- . ! * • !

мов протекания ядерных реакций, которые требуют специального рассмотрения. Среди них - предположение о независимости развития пред-равновесных процессов от испарительных, которое приводит к аддитивному сложению сечений этих процессов. Величины сечений определяются относительным вкладом каждого из процессов в сечение взаимодействия. При этом относительные вклады зависят от момента установления термодинамического равновесия, который в свою очередь

зависит от выбора критерия установления равновесия.

Приближение, к которому мы вынуждены прибегать при объединении моделей Хаузера-Фешбаха и экситонной, обусловлено проблемами учета в экситонной модели углового момента, уносимого предравновес-ными частицами. В соответствии с этим приближением предравно-весные процессы слабо влияют на распределение ядер по моментам на равновесной стадии. Для изучения этой характеристики используются экспериментальные данные по изомерным отношениям, которые являются чувствительными к распределениям по моментам. Предполагается, что анализ экспериментальных данных по изомерным отношениям, в принципе, может дать информацию и о моменте, уносимом предрав-новесными частицами.

Объединение моделей Хаузера-Фешбаха и экситонной в единый подход проводится на основе использования единого набора параметров -параметров плотности уровней возбужденных ядер и коэффициентов проницаемости, через которые выражается сечение реакции. В этих моделях для описания плотности уровней привлекается статистический подход. Вычисления плотности уровней в экситонной модели проводится с использованием статистики Бозе (модель квазичастиц), а в модели Хаузера-Фешбаха - статистики Ферми (модель ферми-газа). При этом в обоих случаях предполагается, что плотности уровней с разной четностью равны и имеют одинаковые зависимости от момента.

Актуальность исследований обусловлена тем, что методы теоретической обработки экспериментов существенно устарели и развитие методов расчета изомерных отношений базе формализма Хаузера-Фешбаха с учетом предравновесной эмиссии частиц в экситонной модели Гриф-фина представляется важным. Актуальность исследований изомерных

отношений связана также с недостатком экспериментальных данных по абсолютным и относительным сечениям возбуждения изомеров, а также с неоднозначностью теоретической интерпретации результатов, что обусловлено недостатком наших знаний о параметрах плотности уровней ядра и соотношении различных механизмов ядерных реакций.

Много нерешенных вопросов остается и при описании механизмов ядерных реакций, особенно при энергии налетающих частиц десятки и сотни мегаэлектронвольт, когда становится заметным вклад неравновесных процессов. Поэтому актуальным является теоретическое описание сечений ядерных реакций под действием различных налетающих частиц в широком диапазоне энергий.

Целью работы являлась интерпретация экспериментальных значений изомерных отношений в интервале энергии а-частиц 10-30 МэВ в рамках статистической теории ядерных реакций с использованием плотности уровней в модели ферми-газа и модели квази-частиц.

В связи с этим предполагалось:

1. Провести расчеты изомерных отношений для ряда изомерных пар ядер, образующихся в реакциях с а-частицами, ускоренными на циклотроне НИИЯФ МГУ.

2. Исследовать чувствительность изомерных отношений к параметрам разных моделей, используемых в расчетах.

3. Изучить связь распределения составного ядра по угловому моменту с величиной изомерных отношений на основе анализа экспериментальных данных по изомерным отношениям в ст-реакциях.

4. В рамках микроскопического подхода провести расчеты среднеквадратичных радиусов ядер с целью определения параметров, харак-

теризующих сечения исследуемых реакций (оптический потенциал, момент инерции ядра.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Продемонстрирована возможность интерпретации экспериментальных значений изомерных отношений исследуемых в диссертации агс-реакций на базе формализма Хаузера-Фешбаха с учетом пред-равновесной эмиссии частиц в экситонной модели Гриффина в интервале энергий о-частиц 10-30 МэВ. Применяемый в настоящей работе метод перенормировки сечения взаимодействия на стадии предравновесной эмиссия частиц позволил улучшить описание изомерных отношений в высокоэнергетичной части спектра.

2. Впервые показана возможность использования среднеквадратичного радиуса ядра с целью определения параметров, характеризующих сечения исследуемых реакций.

3. 7 из 9 изомерных пар, образующихся в «ге-реакциях были исследованы впервые. Расчитанные изомерные отношения хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Научная и практическая ценность работы заключается в следующем:

Исследование изомерных отношений дает важную информацию о свойствах состояний ядер, в том числе плотности энергетических уровней, о структуре низколежащих энергетических уровней и механизмах ядерных реакций.

Исследование явления ядерной изомерии послужило одним из обоснований оболочечной и обобщенной моделей ядра, внесло заметный вклад в теорию мультипольного 7-излучения. Изучение свойств ядер-

изомеров играет важную роль в активадионном анализе. Экспериментальные данные по изомерным отношениям представляют ценность для физики радиационной защиты, производства радионуклидов, применяемых в народном хозяйстве, астрофизике. Данные о параметрах плотности уровней могут быть использованы в расчетах, необходимых для развития атомной энергетики.

Большое различие в угловых моментах основного и изомерного состояний особенно ценно при исследовании распределения углового момента между участвующими в реакции частицами.

Изучение изомерных отношений, проводимое в данной работе, является важным для исследования роли изослина в реакциях образования изомеров, протекающих через составное ядро.

В связи с вышесказанным представляется особенно важной правильная интерпретация экспериментальных значений изомерных отношений.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием известных проверенных моделей ж приближений статистической теории ядерных реакций, а также хорошо разработанных методов математической физики при построении и разработке программ.

Обоснованность выводов и результатов следует из сравнения с экспериментальными данными и результатами расчетов других авторов. Численные расчеты подтверждают разумность используемых приближений.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на 30, 40, 42, 43, 44, 45 Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, на Всесоюзной конференции по теории малонуклопных систем с сильным взаимодействием (Ленинград,

1983 г.), на 2-ой Международной конференции но экзотическим ядрам и атомным массам (БЖАМ, Мичиган, США, 1998 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Развит метод расчета изомерных отношений на базе формализма Хаузера-Фешбаха с учетом предравновесной эмиссии частиц в эк-ситонной модели Гриффина. Это позволило расширить энергетический диапазон описания экспериментальных данных до энергии 30-40 МэВ. Рассчитанные изомерные отношения для 9 изомерных пар хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. Исследована чувствительность найденных изомерных отношений к параметрам моделей, используемых в расчетах. Показано, что на стадии испарения нейтрона с последующей разрядкой 7-каскадом остаточного ядра изомерные отношения наиболее чувствительны к изменению параметра спинового обрезания или связанного с ним эффективного момента инерции ядра Тэф, а вариация других параметров плотности уровней не приводит к значительному изменению результатов. Проведена оценка влияния на изомерные отношения параметров глобального оптического потенциала, используемого в расчетах трансмиссии частицы во внешнюю область.

3. Выяснено, что в процессе предравновесной эмиссии частиц определяющую роль в оценке величины изомерных отношений играет распределение составного ядра по моментам. Получено распределение составного ядра по моментам. Установлена связь распределения составного ядра по моментам с величиной изомерного отношения при учете предравновесной эмиссии частиц.

4. Схемы определения параметров (оптический потенциал, момент инерции), характеризующих сечения исследуемых реакций, развиты с привлечением микроскопического подхода - метода гиперсферических функций, который позволяет оценивать плотности нестабильных состояний ядер и изомеров, где отсутствуют экспериментальные данные, а также переходные плотности. В рамках микроскопического подхода проведены расчеты плотности рапсределения нуклонов для ряда ядер в численном виде. С целью использования полученных плотностей для многих приложений предложена аналитическая аппроксимация с тщательной проверкой по величине среднеквадратичного радиуса.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации, включая 16 рисунков и 13 таблиц, составляет 120 страниц.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертацияя состоит из введения, трех глав и заключения. Во Введении обсуждается актуальность проблем и формулируются общие задачи диссертации.

В первой главе диссертации излагаются основные положения модели Хаузера-Фешбаха и экситонной модели Гриффина.

В параграфе 1 второй главы приводятся эмпирические зависимости плотности уровней ядер от энергии возбуждения, углового момета и момента инерции. Рассматриваются предположения, которые использовались для оценки плотности уровней в различных моделях (модель ферми-газа и модель квазичастиц). Проведен анализ параметров раз-

личных моделей и эффектов, проявляющихся в особенностях поведения этих параметров.

В параграфе 2 второй главы рассматривается чувствительность расчетных изомерных отношений к параметрам используемых моделей.

Показано, что на стадии испарения нейтрона с последующей разрядкой 7- каскадом остаточного ядра изомерные отношения наиболее чувствительны к изменению параметра спинового обрезания или связанного с ним эффективного момента инерции ядра Т3ф, а вариация параметров плотности уровней не приводит к значительному изменению результатов.

Показано также влияние различных параметров глобального оптического потенциала, используемого в расчетах коэффициентов проницаемости.

Исследована чувствительность результатов расчета изомерных отношений в экситонлой модели к выбору метода перенормировки на стадии предравновесной эмиссии и образования составного ядра, а также чувствительность спектров вторичных нейтронов к выбору параметра к.

В параграфе 3 второй главы приведены результаты расчетов изомерных отношений для 9 изомерных пар в ядрах, образующихся в реакциях с а- частицами.

Выяснено, что в процессе предравновесной эмиссии частиц определяющую роль в оценке величины изомерных отношений играет распределение составного ядра по моментам, тогда как при испарении статистического нейтрона определяющую роль играет плотность уровней ядра изомера, характеризуемая отношением эффективного момента инерции к твердотельному

Получено распределение составного ядра по моментам. Изучена связь распределения составного ядра по моментам с величиной изомерного отношения. Показано, что изменение распределения момента составного ядра зависит от способа учета момента, уносимого в предравновесных процессах. Причем эффект тем больше, чем выше энергия а-частицы.

В параграфе 1 третьей главы рассмотрены вопросы, связанные с плотностью распределения нуклонов в ядрал и среднеквадратичным радиусом ядра, полученным в рамках единого микроскопического подхода методом гиперсферических функций. Эти вопросы представляются важными, так как эффективный момент инерции, к которому наблюдается наибольшая чувствительность изомерных отношений, зависит от среднеквадратичнго радиуса ядра.

В параграфе 2 третьей главы представлены результаты расчетов среднеквадратичных радиусов для ряда легких ядер и предложены алгоритмы аппроксимации численной плотности распределения нуклонов в ядре, долученной в рамках метода гиперсферических функций.

В параграфе 3 третьей главы приводятся возможные применения плотности распределения нуклонов в ядре и его среднеквадратичного радиуса для расчетов различных физических величин, в том числе основных параметров при расчете изомерных отношений - коэффициентов проницаемости и параметров плотности уровней.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Материалы, изложенные в настоящей диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Н.Богдапова, К.В.Шитикова, А.А.Широкова. Об аппроксимации плотностей основных и возбужденных состояний легких ядер. -ОИЯИ, Р4-83-547, Дубна, 1983 г., 14 с.

2. М.Касчиев, Г.Саупе, К.В.Шитикова, А.А.Широкова. Теоретическое изучение сечений упругого и неупругого рассеяния легких ионов. - Всесоюзная конференция по теории малонуклонных систем с сильным взаимодействием, г. Ленинград, 1983 г., с.63.

3. М.Касчиев, К.В.Шитикова, А.А.Широкова, А.К.Ичева. Волновые функции и плотности легких ядер в методе гиперсферических функций. - ВИНИТИ, N 9846, 1984 г. 35 с.

4. V.V.Burov, O.M.Knyazkov, A.A.Shirokova, K.V.Shitikova. Analytic folding potentials and heavy ion interaction. - Z.Phys., 1983, v.A313, p.319-324.

5. Б.С.Галахматова, Е.А.Романовский, К.В.Шитикова, А.А.Широкова. Эффекты ядерной структуры в 12С+12С-рассеянии. - ЯФ, 1992, т.55, N 1, с.130-136.

6. О.В.Фотина, Т.В.Чувильская, Л.Я.Шавтвалов, А.Ф.Тулинов, А.А.Широкова. Расчетные изомерные отношения для ядер tSmsSe, штя^ш.шт^с;!^ образующихся в ст-реажциях. - Тез.докл. 40 Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 1990 г., с.344.

7. Н.К.Глебов, Т.В.Чувильская, Л.ЯЛПавтвалов, В.А.Ходырев,

А.А.Широкова. Зависимость изомерного отношения от энергии а-частиц в реакциях "°Те(а п)Шт"Хе и 13бСе(а п)139Ш. - Тез.докл. 40 Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 1990 г., с.345.

8. Н.К.Глебов, Т.В.Чувильская, Л.Я.Шавтвалов, А.Ф.Тулинов,

А. А .Широкова. Зависимость изомерного отношения от энергии а-частиц в реакциях 130Те(а п)шХе,шСе(а п)139Ш. - Изв.АН СССР, сер.физ., т.55, N 1, 1991, с.141-143.

9. А.Ф.Тулинов, Т.В.Чувильская, Л.Я.Шавтвалов, О.В.Фотина, А.АЛПирокова. Расчет изомерных отношений в реакциях 175Ьи(а п)1Т8Та и 1М1Ч(о п)197^. - Тез.докл. 42 Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 1992 г., с.195.

10. А.Ф.Тулинов, Т.В.Чувильская, Л.Я.Шавтвалов, О.В.Фотина, А.А.Широкова. Расчет изомерных отношений в реакциях 175Ьи(а п)178Та и ШР% п)197Н8. - Изв.РАН сер.физ., 1993, т.57, N 1, с.135-138.

11. А.Ф.Тулинов, Т.В.Чувильская, О.В.Фотина, Л.Я.Шавтвалов, А.АЛГирокова. Расчетные изомерные отношения ядер УУ и

- Тез.докл. 43 Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 1993 г., с.401.

12. ЮЛЛарфепова, О.В.Фотина, Т.В.Чувильская, А.Ф.Тулинов, Л.Я.Шавтвалов, А.А.Широкова. Изомерные отношения 179и

в реакциях с «-частицами. - Изв.РАН, сер.физ., т.59, N1, 1995, с.35-38.

13. Ю.Л.Парфенова, А.Ф.Туллнов, О.В.Фотина, Т.В.Чувильская, А.А.Широкова. Изучение изомерных отношений для ядер 44msSc, 116m9Sbj133mSXe и \ZlmgGe в (^„реакциях,- ИзВ.РАН, Сер.физ., N 5, 1996 г., с.132-137

14. О.В.Фотина, Ю.Л.Парфенова, Т.В.Чувильская, А.А.Широкова, С.Н.Кондратьев, Ю.Н.Лобач, В.Д.Скляренко. Анализ выходов изомеров в реакциях 93Nb(3He,xn) при ЕзЯе от 20 до 80 МэВ.- Изв.РАН, сер.физ., Т.62, N 1, 1998, с.145-149.

15. T.V.Chuvilskaya, Yu.G.Seleznev, A.A.Shirokova, M.Herman. The isomeric cross section ratios method at the investigation of the role of isospin at the population compound states cloused yrast band in the nuclear reactions with neutron heavy ions.- AIP Conference Proceedings, 455, Michigan, June 1998, p.482-485.

1С. Т.В.Чувильская, Ю.Г.Селезнев, А.А.Широкова, М.Герман. Анализ выходов изомеров в реакциях 107,109Ag(6'4He,n,2n), 41K(cm) и 193Pt(cm). - Изв.РАН, сер.физ., Т. 63, N 5, 1999, с.1032-1036.