Исследование структурных эффектов в гамма-распаде состояний компаунд-ядра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Р Г Б ОД АНАДЕМИЯ НАУН БЕЛАРУСИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО НРАСНОГО ЗНАНЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ имени Б. И. СТЕПАНОВА

На правах рукописи УДН 539.172.4

ШИМАНОВИЧ Елизавета Алексеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ГАММА- РАСПАДЕ СОСТОЯНИЙ КОМПАУНД- ЯДРА

Специальность 01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

Минск 1994

Работа выполнена в Лаборатории ядерной спектроскопии Института физики им. Б. И. Степанова All Б

Научные руководители:

доктор физико- математических наук Э. А. Рудак

кандидат физико-математических наук В. А. Ннатько

Официальные оппоненты1

доктор физико- математических наук кандидат физико-математических наук

Ведущее научно-'исследовательское учреждение: Институт ядерных исследований АН Укр., Ниев

Автореферат разослан " 1994 года

Защита состоится " &Т * 1994 года}ч5а заседании

Специализированного совета Д006.01.02 Института физики АНБ, Минск.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

& И. Кувшинов П. Г. Кужир

Ученый секретарь Совета кандидат физико- математических наук

Ю. А. Нурочкин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Ядерные реакции взаимодействия медленных нуклонов с атомными ядрами, в частности, радиационный захват нуклонов широко исследуются с целью получения спектроскопической информации о структуре ядерных состояний с энергией возбуждения вплоть до энергии связи нуклона , а такие пиясненип механизма протекания ядерных реакций.

Длительное время предполагалось, что ядерные реакции радиационного захвата обязательно проходят стадию составного ядра. При этом у-спектры, образованные в результате захвата медленных нуклонов, описываются простыни захонами математической статистики ( закон Портера-Томаса, полукруговой закон Вигнера, х2" распределение с большим числом степеней свободы). Отклонения от этих законов рассматриваются как нестатасти-чеекке эффект«, связанные с проявлением структуры как исходных, так и заселяеемах уровней.

В результате развития экспериментальной ядерной фчаики были накоплены факты, противоречащие гипотезе составного ядра. Это - наличие корреляции иекду ширинами различию каналов распада высоковозбувдешшх уровней,' нарушение закона Портера-Томаса в распределен:'.!! приведенных парциальных аирин резонансных состояний, наличие промежуточной структуры н сечениях реакций. Поскольку анализ обнаруженных нестатистических э^ фектов позволяет получить информацию о структуре многокомпонентной волновой функции, . описывающей позбу;кденние состояния, а, следовательно, и о неханиэиз протекания ядерных реакций,

изучение подобных эффектов представляет значительный интерес в настоящее время.

В обием случае теоретическое изучение механизма реакций сводится к объяснении экспериментальных интенсивностей или парциальных радиационных ширин ГУ|Г соответствующих прямым ц-переходам ядра-продукта из исходного захватного состояния с волновой функцией на конечные уровни с волновой функцией ¥г

Из-за математических трудностей, связанных с модельным описанием высоковозбужденных состояний, для объяснения гамма-спектра монет быть использован феноменологический подход, в котором структура нижних состояний описывается в рамках модельных представлений типа "ядро-мишень+нуклон" в различных модификациях, а коэффициенты разложения волновых функций исходных уровней находятся путем фитированил экспериментальных данных. Следует однако отметить, что предсказательные возможости такого феноменологического подхода определяются объемом спектроскопической эксперимантальной информации и необходимостью сокращения числа конфигураций, дающих вклад в гамма-переходы. Несмотря на то, что расчетные и экспериментальные величины могут удовлетворительно согласовываться между собой статистические свойства 7-спектров (корреляционные эффекты, характер флуктуаций парциальных, полных и усредненных ширин различных каналов распада ) не всегда удается воспроизвести. Учитывая, что структурные эффекты являются чувствительным инструментом исследования волновых функций резонансных состояний, можно утверждать, что разработка подхода, позволяющего предсказывать статистические свойства у- спектров, является актуальной проблемой в исследованиях реакций радиационного

захвата.

В связи с вышеизложенным в данной работе для исследования структурных эффектов предлагается подход, в котором совмещены модельные расчеты структуры заселяемых уровней .с генерацией амплитуд разложения волновых функций исходных состояний методом Монте-Карло. При этом для описания заселяемых уровней и исходного состояния используется единый набор базисных функций.

Основной целью работы является изучеиие и моделирование неста-тистичсских эффектов, проявляющихся в .реакции радиационного захвата , как возможности установления механизма 'протекания реакции. Под этим , в частности, понимается:

- определение числа и типа конфигураций, дающих основной вклад в вероятности прямых переходов,

- моделирование поведения парциальных (полных) т ширин,

- объяснение и предсказание корреляционных эффектов между ширинами различных каналов распада,

- получетгае усредненных характеристик у спектров. Научная новизна я практическая ценность.

В диссертация вдервие предложен подход для объяснения механизма протекания ядернеИ реакции, в котором структура нижних уровней рассчитывается тто известным неделям (обобщенная модель ядра с различными модификациями: учет принципа Паули, ангармоничности фонава <и др. ); коэффициенты .разложения волновой функции моделируются методом Монте-Карло с учетом вида остаточного взаимодействия невду нуклонами в атомных ядрах1, определяется число конфигураций, ответственных за у-распад составного ядра.

Предлагаемый подход позволяет моделировать статистические

свойства ганна-ширин резонансов, проводить расчеты усредненных спектров.

Исследована свлзь статистических свойств компонентов разложения волновых функций резонансов и матричных элементов модельного гамильтониана. На основании полученных результатов. могут быть объяснены нестатистические эффекты, проявляющихся в распределении приведенных нейтронных ширин резонансов компаунд- ядра.

Созданные в процессе работы компьютерные программы могут быть использованы для проведения статистического анализа характеристик ядерных реакций в Институтах, где ведутся исследования по г спектроскопии атомных ядер.

В диссертации рассмотрен также ряд вспомогательных вопросов, связанных с точностью нахождения параметра характеризующего распределение ширин резонансных состояний, доверительных интервалов для 4 в случае малой статистики анализируемых ширин, с определением статистической достоверности, корреляционных эффектов. Аппробапия работа

Результаты настоящей диссертации докладывались на семинарах в ЛЯС ИФ АН БССР (1977-1984 гг. ). Всесоюзной конференции молодых ученых (Ленинград 1979 г-). ежегодном Всесоюзном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (1978-1986 гг. ). Всесоюзной конференции по нейтронной физике (1980,1984 гг. ), I Международной конференции по нейтронной физике (1988 Г. ) • Публикации.

По материала* диссертации опубликовано пятнадцать работ.,

Объем работа

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации содержит 144 страницы машинописного текста, 17 рисунков, 22 таблицы и библиографический список литературы из 128 названий.

Содержание диссертационной работы

Во введении обоснованы актуальность и важность исследуемых в диссертации проблем. Представлен обзор результатов работ, выполненных в области статистической ядерной спектроскопии. Сфорнулированы основные защищаемые научные положения.

Первые две главы диссертационной работы посвяцены анализу нестатистических эффектов, наблюдаемых в распределении ширин различных каналов распада. Информация о статистических свойствах компонентов разложения волновой функции резонансов, полученная в результате анализа, используется в третьей главе для моделирования структурных эффектов в распаде состояний кон-паунд- ядра.

На оснований проведенного статистического анализа экспериментальных распределении приведенных нейтронных ширин резонансов. Г^ атомных ядер ( всего бз ядра) в более, чем зо случаях, с достоверностью превышающей 97* кожст быть сделан вывод о нарушении закона Портера-Томаса в поведении ширин гЦ . Атомные ядра с отмеченньта эффектами расположены в максимумах я-нейтронной силовой функции. В большинстве случаев, дисперсия величин уменьшается ( эффект ^ > 1) по сравнению с дис-сией величин, попалспяс которых описывется законом Портера-То-

наса. Обнаруженный эффект увеличения флуктуации <х> < 1) носит локальный характер и зависит от выбранного энергетического интервала.

Закон Портера-Томаса для распределения приведенных нейтронных ширин был получен в рамках метода случайных матриц для гауссового ортогонального ансамбля <Г0А). При этом не учитывался целый ряд важнейших свойств ядерного гамильтониана (двухчастичный характер ядерных сил, принцип Паули и др. ), которые могут повлиять на статистические свойства коэффициентов разложения волновой функции возбужденного состояния и приводить к нарушению закона Портера-Томаса для нейтронных ширин.

Для изучения возможных эффектов в поведении в

настоящей работе была исследована взаимосвязь статистических свойств компонентов волновой функции с' и матричных элементов модельного гамильтониана. Показано, что использование определенного типа двухчастичного взаимодействия между нуклонами, приво-. дит к увеличению дисперсии ширин Появление в матрице

гамильтониана нулевых элементов, связанных с правилами отбора согласно выбранной модели, хорошо описывающей структуру возбужденных состояний ( квазичастично- фононная модель), приводит к ассиметрии в фрагментации компоненетов разложения с'. Подобный вид фрагментации хорошо аппроксимируется нецентральным распределением Гаусса, а величины Г^, - х2- распределением с параметрн 1? > 1.

Вследствие центральной предельной1 теоремы математической статистики, флуктуации приведенных парциальных у ширин, как и ширин Нр описываются законом Портера-ТоМаса, а полные гамма- ширины подчиняются х2" распределению с числом степеней

г

свободы г, равном числу конечных уровней.

Исходя из выражения для матричного элемента г перехода

в диссертационной работе показано, что на величину флуктуации и м*1г влияет число конфигураций, дающих основной вклад в вероятности прямых у переходов, а такие особенности их фрагментации. В случае малости числа конфигураций (3 - 5) следует ожидать нарушения закона Портера-Томаса в поведении а также уменьшения величины параметра в распределении полных радиационных ширин резонансных состояний.

Статистический анализ флуктуации величин из реакций Э2мо(п,у)93мо, Э8мо(п,1()9Эмо позволил сделать вывод о присутствии эффекта 1) > 1 с достоверностью, превышающей 95% для ядра э9Мо. Для этого ядра также обнаружена корреляция между нейтронными и парциальными ширинами, не объясняемая моделью валентного нуклона. Предполагается, что подобные эффекты могут быть связаны с фрагментацией амплитуд входных состояний С^. Согласна результатам анализа, проведенным для полных у ширин Г.^ из реакции 62'64'66гп(п,у)63>Б5>672п 1 установлено, что величина параметра х уменьшается от 9 до 2 при увеличении вклада одночастичных и малоквазичастичных компонентов в волновую . функцию заселяемых уровней от 30* до 61*.

В рамках статистической »одели ядерных реакций считается, что флуктуации парциальных у-вирян, усредненных по резонансан, <Гу)(,> не зависят от структур« конечных уровней и описываются X2-распределением с чистои степеней свободы, равным числу наблюдаемых резонансов N. В случае доминирования в распаде компаунд-

п я

ядра небольшого числа конфигураций, ожидается нарушение этого ут ве радо н и п. 6 райках - метода случайных матриц в настоящей работе показано, что флуктуации описываются

X2- распределением с числом степеней свободы, пропорциональным эффективному числу конфигураций зеГ[1 ответственных за распад сложной системы. При выполнении условия а * к, 7- распад состоний компаунд-ядра будет описываться статистической моделью ядерных реакций.

Предсказанные эффекты в распределении величин были

подтверждены при анализе поведений экспериментальных у ширин для ядер 61Си,шТа,"'9эМо и ,77НГ. Для двух ядер 6,си и ШТа получено изменение эффективного числа конфигураций аеГГ в зависимости от энергетического диапазона заселяемых уровней.

Моделирование структурных эффектов в поведении Г^ с целью выяснения механизма протекания реакций проводилось в рамках статистического подхода. Согласно этому подходу структура нижних уровней рассчитывалась в модели "частица+фонон", а компоненты разложения волновых функций исходных состояний моделировались в соответствии с изученными в предыдущих разделах статистическими свойствами ( отклонение от гауссовой формы в распределении с учет энергетической зависимости, например, в форме Лоренца). Парциальная Гамма-ширина представлялась в виде суммы валентной и статистических компонентов

Г -КГ >1/г + У с'.а' м7 12

V п » пт

Полученные величины затеи использовались для расчета корреляционных коэффициентов между ширинами различных каналов распада, для проведения статистического анализа их флуктуации,

а также для расчета усредненных у-спектров.

В ранках предлагаемого подхода моделировались структурные эффекты в реакции 54ре(п,^)5!;ре. Проведенные вычисления показывают, что учет в у- распаде конфигураций типа "фонон+частица" улучшает согласие с экспериментальными данными на 20* по сравнению с результатами расчетов, выполненных по валентной модели. Получена статистически значимая корреляция между парциальными ширинами, а также мевду парциальными и приведенными нейтронными ширинами. Характер распределения вычисленных полных у- ширин хорошо согласуется с экспериментальным распределением.

Данный подход использовался для исследования особенностей; распада протонных резонансов 60ш. Выполненные расчеты ширин

протонных резонансов показали, что корреляция между усредненными по резонансам /-ширинами и спектроскопическими факторами заселяемых уровней не может быть объяснена механизмом валентного захвата. Оцененное число независимых компонентов, через которые идет заселение уровней 61си( составляет величину з. в рамках модели "ядро- мишёнь+нуклон" показано', что механизм протекания ядерной реакции определяется присутствием з области энергии возбуждения 6.2-7.9 МэВ состояния со спином 1 , дающих наибольший вклад в вероятности у- переходов на нийниэ уровни.

Проанализированы аномально усиленные переходы на первые нижние уровни со спинами 2+ и ** п реакции НЗка<"гв,,У'-Проведенные расчеты усредненных по резонансам ширин <Г^(Г> в модели "кластер+фонон" позволили сделать вывод о важной роли двухквазичастичной конфигурации < вд/а• г7/2> в усилении интён-

сивности к- переходов на уровни г* « 4*. Учет фрагментации простых конфигураций позволил переопределить вклады этих конфигураций и улучшить согластие с экспериментальными данными.

В заключении перечислены основные результаты диссертации.

Основные результаты, выносимые для защиты.

ь Предложен статистический подход для объяснения механизма протекания ядерных реакций взаимодействия медленных нуклонов с атомными ядрами,, в основу которого положено моделирование характера флуктуация амплитуд разложения волновой функции резонансного состояния.

2. В рамках предложенного подхода разработана иояею», позволяющая предсказывать структурные эффекты в реакции радиационного захвата на сферических ядрах.

3. На основании изученной связи статистических свойств компонентов разложения волновых функций и матричных элементов гамильтониана объяснены нестатистмческие эффекты, проявляющиеся в распределении приведенных нейтронных ширин резонансов компаунд- ядра.

4. В рамках метода случайных иатриц найдено выражение, связывающее величину флуктуацай ширин, усредненных по резонансам, с эффективным числом конфигураций, ответственных за распад высоковозбужденных состояний компаунд-ядра.

5. Получено аналитическое выражение для зависимости коэффициента корреляции между парциальными л иеИтронными ширинами от параметра, характеризующего флуктуации этих ширин.

6. В рамках предложенного стастического ¡подхода смоделированы структурные эффекты в реакции 54Ре(п, у)55ге . с учетом экспе-

риментальных данных рассчитаны парциальные ширины

7. Показано, что кореляционные эффекты в реакции 60Ni(p,y)61cu не могут быть объяснены в модели валентного захвата, а механизм протекания распада протонных резонансов 60ní определяется присутствием в области энергии возбуждения б. 2-7.9 МэВ состояний со спином

8. Аномально усиленные переходы (по сравнению с предположениями статистической теории ядерных реакций) на нижние уровни в реакции H3Nd("ree,7) объяснены в рамках модели "кластер+фонон"

с учетом фрагментации простых конфигураций. Сделан вывод о важной роли конфигурации 8 усилении интенсивности

у- переходов на уровни со спинами 2 и * .

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1-Ннатько В-А-. Рудак Э-А-. Шиманович Е-А- Анализ распределений парциальных у-ширин нейтронных э/2-резонансов в эзмо // Изв-АН БССР, сер.физ.-мат- - 1978. - n 2.- С-129.- (Деп. ВИНИТИ

07.06.1977 per-N 3547-77).

2-Кнатько В-А-. Рудак Э-А-. Шиманович Е-А- Анализ статистических распределении парциальных у-ширин нейтронных з/2" -резонансов 99 мо // Изв- АН НазССР, сер- физ--мат--1978,- n 6.- С- 64-67.

з.Кнатько В-А-.Шиманович Е-А- К расчетам вероятностей прямых у-переходов из реакции (п.у) // Изв- АН БССР, сер-физ-мат.-

1979.- N 6.- С•100-101.

4-Кнатько В-А-. Шиманович Е-А- К анализу флуктуации приведенных парциальных гамма-ширин, усредненных по резонансам--Минск. 1979.- 16 С-( Препринт ИФ АН БССР N 187).

5-Кнатько В-А-. Шиманович Е-А- О флуктуации приведенных парциальных гамна-ширин. усредненных по резонансам // 5-ая Всесоюзная конференция по нейтронной физике ¡Натер-конф--М-Цнии-атоминформ. 1980." Ч.1.-с.167-171.

6.Ннатько В-А-. Шиманович Е-А- Н выбору метода анализа распределения усредненных приведенных парциальных у-ширин-- Минск, 1981.- И С-( Препринт И® АН БССР н 251).

7.Шиманович Е-А-> Ннатько В-А- Программа для статистического анализа ширин компаунд-резонансов-- Минск. 1982.- 36 с-(Препринт ИФ АН БССР N 276).

8-Кнатько В•А•i Шиманович Е-А- Анализ корреляционных иирин в реакции S4Fe(n,T)55Fe // Изв- АН СССР, сер-физ. - 1982.- т. 46, N 1.- С" 187-191.

9.Шиманович E-A- Н вопросу о распределении приведенных нейтронных ширин // vi Республиканская конференция молодых ученых по спектроскопии и квантовой механике • Тез-докл--Паланга. 1983.- с- зб.

Ю-Ннатько В-А-. Шиманович Е-А- 0 механизме реакции 60Ni(p,j)61cu // Изв- АН БССР, сер- физ--мат-- 1984, n е.- с-84-89.

и-Ннатько В-А-. Шиманович Е-А- Анализ корреляционных ширин s-нейтронных резонансов zn //6-ая Всесоюзная конференция по нейтронной физике: Матер-конф-- М-. 1984.- Т-2.- с. 351-355.

12.)(ононенко И-В-.---. Шиманович Е-А- Спектр у-квантов при захвате нейтронов с энергией 2 кэВ ядром l13Nd // Изв-АН СССР-сер- физ-- 1986.- Т- 50, N 5.- С- 883-885.

13.Кнатько В-А-. Шиманович Е-А- Н вопросу о распределении компонент собственных векторов случайных матриц // 37

Совещание по ядерноИ спектроскопии и структуре ятомного ядра: Тез- ДОКЛ-" Л-. 1987." С-221.

14-Ннатько В-А-.•-•< Шиманович Е-А- Расчет вероятности высо-кознергетических у-переходов в реакции захвата нейтронов с энергией 2 КэВ ядром H3Nd II Изв- АН СССР» сер- фиэ--1987.- Т-51, N 5.- С- 926-929.

15-Ннатько В-А-. Шиманович Е-А- Анализ распределений приведен-денных е- нейтронных ширин резонансов // i-ая Международная конференция по нейтронной физике • Матер- конф.-М-: инииатоминформ. 1988.- Т-2.- С.165-169,

ШИМАНОВИЧ Елизавета Алексеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ГАММА- РАСПАДЕ СОСТОЯНИЙ КОМПАУНД- ЯДРА

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-иатенатических наук

Подписано к печати 2 I апреля 1994 г. Печать

офсетная. Бесплатно . Формат 60x90 1/16. Объем о.6 п. л. Тираж 1« экз. Заказ 2? •

Институт физики АН Беларуси

220602, г. Минск, ГСП, проспект Ф. Скорины, 70.

Отпечатано на ротапринте Института физики АН Беларуси.