Исследование структуры ядра и механизма ядерных реакций с помощью изомерных отношений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

р Г 6 ОД АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ЯЩЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

7

На правах рукописи

БОПШ ЕВГЕНИИ АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 539.17

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЯДРА И МЕХАНИЗМА ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ИЗОМЕРНЫХ ОТНОШЕНИИ

01.04.16. Физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КИЕВ - 1993

Работа выполнена в Институте ядерна исследований ЛЯ Украины

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Коломиец Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Шубин Юрий Николаевич

кандидат физико-математических наук, доцент йков Станислав Николаевич

Ведущая организация: ЛТФ ОШШ (г.Дубна)

Запита состоится 1993г

заседании Специализированного Совета Д OIS.03.01 ядерных исследований АН Украины по адресу: 252028, г.Киев, пр.Науки, 47

С диссертацией моею ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований

Автореферат разослан

1993г.

00

. в * v на при Институте

Ученый секретарь Специализированного Совета ,

кандидат физ.-мат. наук . -c^ff'-f ^Чеснокова В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена развитию простых и эффективных методов получения информации о структуре ядра и механизме ядерных реакций, основанных на сравнительном анализе теоретических и экспериментальных изомерных отношений.

Актуальность темы диссертации определяется как практическим значением развития отмеченных методов, так и необходимостью созерсенс чзвания каскадно-испарительной модели (КИМ) расчета изомерных отношений с учетом структуры ядра и проведения критического анализа границ применимости КИМ в целом и отдельных, приближения в этой модели. Указанные модификации ЮМ играют вакную роль для интерпретации экспериментальных дашшх.

Величина изомерного отношения т|, определяемая обычно как отношение сечений возбуждения метастабилы.ого ат(Ел) и основного од(Еа) состояний т1(Еа)=от(Еа)/оя(Еъ) (Еа - энергия частицы во входном канале), содержит информации о механизме протекания ядерной реакции, о свойствах и структуре ядра и зависит, таким образом, от влияния многих факторов. Это обстоятельство является одновременно достоинством и недостатком изомерного отношения как объекта исследований: с одной стороны чувствительность т) к влиянию множества факторов позволяет рассматривать широкий круг ядсрнофизических задач, а с другой - затрудняет получение надежной информации о проявлении в г) каждого фактора в отдолыюети. В связи с этим, разработка методов получения однозначной информации о механизме ядерной реакции, свойствах и структуре ядра <.. помощью изомерных отношений, является актуальной задачей.

Изомерное отношение существенно зависит от индивидуальных особенностей ядра: природы дискретных уровней; структуры ираст-линии ядра-продукта (присутствие высокосштового состояния с малой энергией возбуждения) и ядер-продуктов распада в каналы с вылетом частиц; природы 7-девозбуздения в окрестности ираст-линии. Влияние структуры ядра на изомерное отношение наиболее ярко проявляется ^ поведении Т) из реакций в околопороговой области и из реакций, идущих с возбуждением . высокоспиновых состояний в окрестности ираст-линии. Большинство эксперименталышх данных в этих слу1 Jяx не описываются в рамках КИМ, в которой непосредственное заселеь,.е изомерной пары проьодится модель"'!м приемом. без учета индивидуальных

особенностей ядра. Болев того, использование в КИМ таких модельных приемов и приближений, касающихся соотношения ширин распада ядра в каналы с вылетом частиц и 7-квантов, зачастую является причиной ошибочных выводов о соотношении различных механизмов ядерной реакции и значениях плотности одночастичных состояний и момента инерции ядра, извлекаемых с помощью изомерных отношений.

В связи с этим, значительный интерес представляет модификация КИМ с учетом структуры ядра, определение границ применимости приближений, используемых в КИМ, а также всестороннее изучение влияния индивидуальных особенностей ядра на изомерное отношение, в частности, поиск характерных последствий влияния на т] тех или иных структурных особенностей.

Целью настоящей работы является: развитие, обоснование и апробация методов получения информации о структуре ядш и механизме ядерных реакций с помощью изомерных отношений на основе каскадно-испарительной модели, модифицированной с учетом экспериментального даскретнопо спектра уровней.

Научная новизна работы. В рамках каскадно-испарительной модели, модифицированной с учетом спектра дискретных уровней, всесторонне изучено влияние структуры . ядра на изомерное отношение. Показано, что в околопороговой области величина и ход существенно зависят от факторов, определяемых структурой ядра, таких как природа дискретных уровней, аномальное поведение ираст-линии ядра-продцкта реакции и ядер-продуктов распада в каналы с вылетом частиц, аномальное положение ютастабильного состояния, природа 7-девозбуу.дения.

Дано теоретическое объяснение скачкообразному поведению т1(Еа) в околопороговой области, имеющем место в некоторых экспериментальных дашшх.

Рассмотрен вопрос об обоснованности вариации параметров плотности уровней в ¡{ИМ и И)ШМ с целью описания изомэршх отношений. Определен критерий, в соответствии с которым вариация этих параметров оправдана.

На основе численных расчетов и простых аналитических оценок ширин распада ядра в каналы с вылетом частиц и в 7-канал из состояний в окрестности ираст-линии, найдена грашща оправданного использования приближения, согласно которому порог эмиссии частиц отсчитывается от ираст-линии.

Найдена альтернативная влиянию нестетистических механизмов причина немонотонного поведения изомерного отношения. Этот результат имеет важное значение для исследования механизма ядерных реакций с помощью сравнительного анализа теоретических и экспериментальных изомерных отношения.

Показано, что в некоторых случаях КИМ может быть успешно использована для описания изомерных отношений из реакций, в которых статистический механизм не является доминируют™, например, чз реакций с многонуклошшм выходным каналом на легких ядрах (Л-40).

Научная и практическая ценность работы. В диссертации предложены простые, но достаточно эффективные методы получения информации о структуре ядра с помощью изомерных отношений. Эти методы обоснованы теоретически в рамках каскадно-испарительной модели, модифицированной с учетом спектра дискретных уровней, апробированы на конкретных примерах и могут быть использованы для получения предварительных оценок т] при планировании условий экспериментов.

Предложенная в диссертации формулировка модифицированной каскадно-испарительной модели реализована программно на ЕС ЭВМ и может быть использована для изучения других измеряемых в опыте величин, например, функций возбуждения, испарительных спектров частиц и 7-квантов и т.п.

В диссертации определен критер.Л обоснованности вариации параметров плотности уровней в КИЛ и МКИМ, что позволит избежать ошибочных выводов о значениях этих параметров, когда для достижения согласия теоретических и экспериментальных значений т) необходима вариация этих параметров.

Результаты теоретического анализа границ . применимости пр/^лижеиия, согласно которому порог эмиссии частиц отсчитывается от ираст-линии, будут полезны в решении задач, касающихся изучения 7-девозбувдения холодного быстровращавдегося ядра. Простые оценки ширин распада ядра из состояний в окрестности ираст-линии могут быть также использованы при планировании уело. 1й экспериментов.

Установленный факт возможного немонотонного поведения эоретической зависимости г\(Еа) без привлечения нестатистических механизмов реакции в дальнейшем оудет полезен при изучении механизма протекания ядерных реакций.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) На величину изомерного отношения и ход энергетической зависимости т) в околопороговой области существенное влияние оказывают природа дискретных уровней, структура ираст-линии и структура изомера. Каскадно-испарительная модель, модифицированная с учетом схемы дискретных уровней, в большинстве случаев удовлетворительно описывает экспериментальные данные со стандартными наборами параметров.

2) Скачкообразные изменения изомерного отношения в околопороговой области обусловлены влиянием каналов с вылетом частиц на 7-девозбуждвние ядра-продукта и немонотонным ходом ираст-линии в дочерних ядрах. Наличие такой связи дает возможность определять характеристики аномальных состояний ираст-линии с помощью изомерных отношений.

3) Приближение, согласно которому порог эмиссии ч-.стиц отсчитывается от ираст-линии, справедливо, когда величина скорости роста энергии вращения холодного ядра не превышает значения 2 МэВ/Ь. Необоснованное использование упомянутого приближения может привести к ошибочным выводам при исследовании спектров 7-квантов, множественности 7-каскада, изомерных отношений.

4) Причиной немонотонного хода изомерного отношения может быть статистический механизм эмиссии частиц из холодного быстровращавдегося ядра, конкурирующий с 7-девозбувденисм в окрестности ираст-линии. В связи с этим, немонотонный ход

но может быть однозначным указанием на присутствие не статистических механизмов реакции, по крайней мер1--, в реакциях, идущих с возбуждением высокоспиновых состояний в окрестности праст- линии.

5) Благодаря тому, что изоыерпоо отнесение является относительной величиной, в некоторш случаях возможно удовлетворительное описание т} в рамках каскадно-испарителъной модели, когда статистический механизм не является доминирующим,- например, в роаздиях с многонуклонным выходным каналом на легких ядрах (4-40).

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на XXXVII Совещании по ядерной

спектроскопии и структура атомного ядра (Юрмала, 1987), на XXXIX

Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Ташкент, 1989), на Семинаре "Ядерные реакции при низких и промежуточных энергиях" (Дубна, 1989), 6-й Международной школе по нейтронной физике (Алушта, 1990), на ежегодных нсучных конференциях ИЯИ АН Украины (1988, 1989 гг.), а также на научных семинарах в ИЯИ АН Украины, ЛТФ ОИЯИ, КУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 143 страницы, включая 27 рисунков, 4 таблицы и список литературы, содержащий 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям структуры ядра и механизма ядерных реакций с помощью изомерных отношений, показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, кратко изложено содержание диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложена каскадно-испарительная модель расчета изомерных отношений в ядерных реакциях. Показано, что существенными в этой модели являются выбор механизма протекания ядерной реакции и предположения о непосредственном заселении изомерной пары.

В § I приведены основные физические предположения, лежащие в основе каскадно-испарительной модели, дана схематическая формулировка КИМ.

В 5 2, исходя из критического анализа модельного приема, разделяющего цепочки 7-распада в основное и метастабильное состояния, обоснована необходимость включения в эту модель экспериментального дискретного спектра уровней и схемы 7-разрядки этих уровней, сформулирована модель расчета изомерных отношоний с использованием дискретного спектра уровней модифицированная каскадно-испарительная модель (WfflM).

В $ 3 изложена схема расчета сечений возбуждения дискретных уровней из реакций типа A(a,xtrf)B, идущих с образаванием компаунд ядра, а также даны опр:деления некоторых величин, традиционно изучаемых с помощью ядерных pet ций.

В 55 4-6 приведены методы вычисления основных физических

величин, входящих в МКИМ: коэффициентов трансмиссии частиц (§4); плотности уровней возбужденного ядра (§5); приведенных радиационных силовых функций (§6).

Во второй главе на примере реакций (п.у), (п,2п), (а,п) изучено влияние структуры ядра на величину и ход энергетической зависимости изомерного отношения т](Еа). На основе этих исследований развиты простые методы получения информации о структурных особенностях ядра с помощью изомерных отношений как только из анализа экспериментальных данных, так и из сравнения теории с экспериментом. Значительное внимание уделено выявлению и анализу причин неудовлетворительной интерпретации отдельных экспериментальных данных в рамках КИМ, а также проверке обоснованности вариации свободных параметров этой модели в широких пределах.

В § I продемонстрирована связь индивидуальных отличий между соседними изотопами с отличиями значений изомерного отношения из реакции радиационного захвата нейтронов на соседних изотопах "•1п, "Чп в околопорогогой области. Из анализа схем дискретных уровней изотопов 11Ч1п, ш1п показано, почему интерпретация результатов опыта в рамках КИМ, то есть без учета природа дискретных уровней,; приводит в этом случае к необоснованной вариации параметров плотности уровней.

В $ 2 рассмотрено влияние конкурирующих с 7-девозбуждением каналов с вылетом частиц и аномальной структуры ираст-линии ядер-продуктов распада в каналы с вылетом частиц на величину и ход т)(Еа). Показано, что присутствие аномалий в структуре ираст-линии дочерних ядер является причиной скачкообразных изменений т)(Еа; в околопороговой области. Этот вывод подтвержден на примере реакций 1"1п(,1,1)"*1п, пВг(п,у)*°Вг, когда вютаение в расчеты экспериментальной ираст-линии, имеющей немонотонное поведение, принципиально изменяет ход теоретической зависимости г)(Еа) и приводит к хорошему качественному и количественному согласил с данными опыта.

В $ 3 исследована роль структуры ираст-линии ядра-продукта и аномального положения изомера для адекватного описания изомерных отношений в околопороговой области в зависимости от типов входного и выходного каналов. Проведен анализ функций возбуждения основного я метастабильного состояний и энергетической зависимости изомерного отношения из реакция

**3с(п,2п)**5с, "К(а,п)л*3с с использованием расчс :пой (жесткий ротатор) и эксперимента ьной ираст-линии. Показано, что неудовлетворительное описание ираст-линии энергией жесткого ротатора (систематическое превышение) в области массовых чисел А~40 является причиной несоответствия расчетного порога возбуждения изомера и систематического занижения теоретической зависимости Т](Еа) в околопороговой области.

В § 4 проведено сравнение результатов расчетов т) в рамках каскадно-испарительной модели с и без учета дискретного спектра уровней в том случае, когда оба подхода дают драматическое расхождение с результатами измерений. Выбран типичный пример для такой ситуации - реакция, в которой возбуждается изомерная пара с большой разницей по спину. Обсуждается вопрос о правомерности вариации параметров плотности уровней с целью описания изомерных отношений, когда использование стандартного набора таких параметров приводит к сильно'"' расхождению теории с экспериментом. Вывод этого параграфа состоит в. том, что такая вариация оправдана только тогда, когда адекватно описаны детали 7-девозбукдения в нижней части спектра возбуждений.

В третьей главе рассмотрены вопроси, связанные с изучением механизма ядерных реакций с помощью изомерных отношений. В связи с тем, что информация о вкладе нестаткстических процессо?, извлекаемая из сравнительного аналиг 1 экспериментальной и вычисленной в рампах КИМ зависимостей т) ("£„.), состоит в утвервденш "да - нет", основное внимание в этой главе уделено поиску и объяснению иных возможных г;,тат несоответствия теории с экспериментом, в частности, критическому анализу приближений, используемых в КИМ.

В $ I проведен качественный анализ влияния нестатистических процессов на энергетическую зависимость изомерного отношения г\(Еа.<. Такой анализ дает возг >жность установить характерше проявления несГатистических механизмов ь т? и сформулировать, таким .''разом, метод получения информации о вкладе того или ипого механизма.

В 5 2 рассмотрено влияние каналов с выл. том частиц на девозбухдение ядра статистическим 7-каскадом в окрестности ираст-л^пши в разных области массовых чисел и у~моьих моментов. Найдены границы применимости широко используемого в статистической модели приближения, согласно которому

эмиссии частиц отсчитывается от ираст-линии. Получены простые выражения для ширин распада холодного быстросращающегося ядра в каналы с вылетом нейтрона и в 7-канал, из которых следует, что граница применимости упомянутого приближения может быть определена в универсальном виде, как ограничение на скорость роста энергии вращения холодного ядра (ираст-линии). Проведен анализ изменений распределения заселенности состояний в окрестности ираст-лтши, формы спектров 7-квантов и множественности 7-каскада, когда влияние каналов с вылетом частиц на 7-девозбузденке ядра в окрестности ираст-линш становится существенным.

В § 3 определены последствия некорректного использования приближения, согласно которому порог эмиссии частиц отсчитывается от ираст-.^шии, при изучили вклада нестатистических процессов с помощью изомерных отношений. Показано, что корректный уче™ конкуренции частичных каналов при разрядке ядра в окрестности ираст-линии в тех случаях, когда такая конкуренция заметно влияет на 7-девозбуждвние ядра-продукта, может сущесмено изменить ход зависимости г](Еа), в том числе - привести к немонотонному ходу г\(Еа). Этот результат подтвержден расчетом изомерных отношений из реакций *1К(а,п)**8с и х"31(™0,р2п)"8с, в которых теоретические зависимости 1}(Еа) тлеют максимум, положение которого соответствует экспериментальным данным. Таким образом, найдега альтернативная влиянию нестатистических механизмов причина немонотонного поведения изомерного отношения.

В § 4 рассмотрен один из случаев, когда КИМ может быть использована для описания изомерного отношения из реакции, в которой статистический механизм не является доминирующим. Исходя из определения изомерного отношения, .обоснована возможность применения КИМ для описания г) из реакций с многонуклонным выходным каналом, найден диапазон энергий налетающих частиц, в котором вклад нестатистических механизмов реакции практически не влияет на величину изомерного отношения. Выводы этого параграфа подтверждены расчета за_лсимости тиз реакции **Са(а,рЗп)**5с.

В заключении сформулированы основные результаты и вывода диссертации.

ю

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Каскадно-испарит&льная модель расчета изомерных отношений модифицирована с учетом структурных особенностей ядра, путем включения экспериментальных дискретных уровней. Такая модификация КИМ позволяет использовать эту модель для исследования структуры ядра с помощью изомерных отношеш 1.

2) Результаты расчетов т) в рамках МКИМ показали, что в околопороговой области величина изомерного отношения существенно зависит от природы дискретных уровней, структуры ираст-линии и структуры изомера. Учет о тих факторов позвогл описать экспериментальные данпыэ со стандартными наборами' параметров оптических потенциалов и плотности уровней, чего не удавалось достичь в традиционной КИМ. Из срсления результатов расчетов изомерных отношений с помощью КИМ и МККМ продемонстрирована необоснованность вариации пара;,<етроЕ хяотности уровней в широких пределах.

3) Найдено объяснение появлению скачкообразных изменений в т\(Еа) в околопороговой области. Установлено, что решающи,! фактором здесь является конкурзгащя с т-девозбукде:шом каналов с вылетом частиц п наличие скачкообразных изменений доступного фазового объема при распаде в каналы с вылетом частиц.

4) Предложены методы получения информации о характеристиках отдельных дискретных уровней, наличии аномалий л структуре ираст-лшлш и характеристиках аномальных состпний ираст-лгаши как из сравнения теоретических и экспериментальных изомершк отношений, так и из анализа ходт экспериментальной зависитлзс'та г\(Еа). Работ.,способность этих методов продемонстрирована на примере реакций радиационного захвата нейтронов в околопороговой области.

5) Показано, что использование в ККМ приблптания, согласно которому порог эмиссия частиц отсчптываотся от ираст-лгапш, оправдано не до,всем дяепазоне узловых моментов, а граница этого диапазона зависит от пассы ядра и эпе'рпп* с с пи гшмтпщих частиц. Получены простые выражения для гшрин распада холодного быстровращавдегося ядаа в каналы с вылетом нейтрона и в т-каяал, из которые следует, что граница применимости упомянутого приближения может быть определена в универсальном вид';, как ограничена на скорость роста энергии вращения холостого ядра (ираст-лишш).

6) Результаты расчетов г)(Еа) из реакций на легких ядрах (А~40), в которых возбуждаются высокоспиновые состояния, полученные без приближения, согласно которому порог эмиссии частиц отсчитывается от ираст-линии, указывают на то, что для исследования вклада нестатистических процессов с помощью изомерных отношений недостаточно качественного рассмотрения влияния этих процессов на т). Такой вывод вытекает из того, что учет влияния каналов с вылетом частиц на 7-девозбуздение ядра-продукта в окрестности ираст-линии может приводить к принципиальному изменению хода теоретического изомерного отношения, в частности, возможен немонотонный ход т)(Еа).

7) Установлены границы применимости КИМ для описания изомерных отношений в реакциях с многонуклонным еыходным каналом. Эти границы отличны от области оправданного использования статистической теории для от. .ания функций возбуждения и определяются не абсолютной величиной энергии возбуждения составной системы, а порогом открытия следующего по множественности части^'ого канала, конкурирующего с 7-разрядкой ядра-продукта.

8) Создан комплекс программ, позволяющий проводить вычисления в рамках модифицированной каскадно-испарительной модели. Программы написаны на языке ФОРТРАН, адаптированы на ЕС ЭВМ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работ.чх:

1. Богила Е.А., Коломиец В.М. Заселение высокоспиновых метастабшнлых состояний в реакциях с нейтронами//

Тезисы докладов XXXVII Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра., Л.: Наука, 1987, С.435.

2. Богила Е.А., Коломиец В.М., Санжур А.". Модифицированная каскадно-испарительная модель расчета изомерных отношений// Киеа, 1988, 49с. (Препринт/Институт ядерных исследований АН УССР: КИЯИ-88-28).

3. Богила Е.А., Коломиец В.М. Изомерные отношения в модифицированной каскадно-испарительной модели//

УФЖ, 1989, Т.34, С.7-14.

4. Богила S.A., !'1ломиец В.М. Влияние структуры ираст-линии на изомерные отношения//

Тезисч докладов XXXIX Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра.. Л.: Наука, 1989, С.449.

Богила Е.А., Коломиец В.М. Влияние структуры ираст-линии на изомерное отношение//

Изв. Ali СССР, сэр.физ., 1990, Т.54, С.33-39.

5. Богила Е.А., Коломиец В.М. Изомерные отношения в реакциях с многонуклонным выходным каналом//

Тезисы докладов ХХХХ Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра., Л.: Наука, 1990, С.430.

6. Богила Е.А., Коломиец В.М. Влияние каналов с вылетом частиц на девозбуадение ядра статистическим 7-каскадом//

ЯФ, 1991, Т.53, C.I20-I3I. ?. Богила Е.А., Гаврилш В.И., Харланов В.Б. и др. Исследование выходов изомерных пар в (р,п) и (а.рЗп) реакциях// Изв. АН СССР, сер.фаз., 1991, Т.55, С.921-923. 8. Богила Е.А., Коломиец В.М., Санжур А.И. Плотность уровней ядра с фиксированным числом возбужденных квэзачастиц// Киев, 1990 , 26с. (Препринт/Институт ядерныг. исследований АН УССР: КИЯИ-90-44).

Boglla Ye.A., KolOiDleta V.M., Sanzhur A.I'. Nuclear le7el density with fixed exciton number// Z.Phys. A, 1992, 7.341, P.3T3-381.