Влияние структуры тяжелых ядер на их образование и распад тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4-2015-6 На правах рукописи

БЕЗБАХ Анна Николаевна

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР НА ИХ ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПАД

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 8 НАР 2015

005560828

Дубна 2015

005560828

Работа выполнена в Лаборатории теоретической физики им. H.H. Боголюбова Объединённого института ядерных исследований.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, в.н.с. Антоненко Николай Викторович, доктор физико-математических наук, в.н.с. Адамян Гурген Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, в.н.с. Чувильский Юрий Михайлович (Москва, НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ) доктор физико-математических наук, профессор Косенко Григорий Иванович (Омск, Омский автобронетанковый инженерный институт филиала Военной академии материально-технического обеспечения)

Ведущая организация:

НИЦ "Курчатовский институт"

Защита диссертации состоится " о " Опреи^Л 2015 года в ]_£ часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 720.001.01 в Лаборатории теоретической физики им. H.H. Боголюбова Объединённого института ядерных исследований по адресу: ул. Жолио-Кюри 6, 141980, г. Дубна Московской области РФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Объединённого института ядерных исследований.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за 15 дней до защиты.

Автореферат разослан " ^ " МО.ЪТЙ 2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук

Арбузов Андрей Борисович

1 Общая характеристика работы

1.1 Актуальность темы

Синтез и определение свойств сверхтяжелых элементов "острова стабильности" около Z = 114 является одной из важнейших задач современной ядерной физики. Для выбора оптимальных условий синтеза необходимо найти наилучший баланс между увеличением вероятности слияния ядер с ростом энергии столкновения и уменьшением при этом вероятности выживания образовавшегося возбужденного составного ядра. Для описания процесса полного слияния двух сталкивающихся массивных ядер и процесса выживания образовавшегося составного сверхтяжелого ядра необходимо дальнейшее развитие теоретических моделей. Также требуется изучение возможных мод распада испарительных остатков и роли изомерных состояний в этих распадах. Структура сверхтяжелых ядер оказывает сильное влияние на сечения их образования и на моды их распада.

В экспериментах по синтезу новых сверхтяжелых изотопов с Z = 112 — 118, которые проводились в ЛЯР ОИЯИ (Дубна), GSI (Дармштадт) и LBNL (Беркли) с использованием пучков 48Са, получены указания на усиление оболочечных эффектов при Z = 114, как и предсказывалось в расчетах по микроскопическо-макроскопическим моделям ядра. Однако, самосогласованные микроскопические модели ядра предсказывают более сильные оболочечные эффекты при Z = 120 — 126. Результаты этих моделей позволяют надеяться на успех синтеза новых сверхтяжелых элементов с Z > 120 в реакциях слияния с актинидыми мишенями и налетающими ядрами тяжелее, чем 48Са. В настоящее время предпринимаются попытки синтеза изотопов с Z > 119 в реакциях "горячего" слияния с пучками

ионов 50Ti и 54Сг. Сделаны попытки синтеза элемента с Z = 120 в реакциях 58ре+244ри и 64Ni+238u

Один из основных методов идентификации химических элементов новых нуклидов - это идентификация изотопов неизвестных элементов в коррелированных а-раснадных цепочках. Если »-распад испарительного остатка преобладает над спонтанным делением, то изучаются последовательные а-распады ядер, оканчивающиеся спонтанным делением изотопов известных или неизвестных ядер. Для анализа характеристик а-распада необходимы знание структуры материнского и дочернего ядер и оценки конкуренции а-распада со спонтанным делением. Исследуя структуру тяжелых ядер, мы получаем информацию о характеристиках среднего ноля ядер, свойства которого являются определяющими для ядерной стабильности.

Для изучения структуры ядра вблизи его основного состояния можно использовать различные микроскопическо-макроскопическне модели, от-

личающиеся параметризацией формы ядра. Выбор удачной параметризации позволяет уменьшить количество коллективных переменных и упростить микроскопическое рассмотрение. В диссертационной работе приводятся расчеты на основе модифицированной двухцентровой оболочечной модели.

1.2 Целью работы

было изучение влияния структуры сверхтяжелых ядер на характеристики их образования и распада, и проведение расчетов на основе модифицированной двухцентровой оболочечной модели с использованием метода Струтинского и модели двойной ядерной системы.

1.3 Научная новизна работы

С помощью модифицированной двухцентровой оболочечной модели проведены исследования свойств уже полученных и сделаны предсказания свойств еще неизвестных сверхтяжелых элементов.

• В наших микроскопическо-макроскопических расчетах получены достаточно сильные оболочечные эффекты при Z = 120 — 126 и N = 184.

• Показано, что можно ожидать образование испарительных остатков с Z = 120 в реакциях 50Ti+249Cf и 54Cr+248Cm с сечениями 23 и 10 фб соответственно. Для ядра с Z = 120 и N = 175 — 179 ожидаются значения Qa 12.1 - 11.2 МэВ и времена жизни 1.7 мс - 0.16 с.

• Вычислены микроскопически внутренние плотности уровней в регионе сверхтяжелых ядер. Метод вычисления опробован на более легких ядрах, для которых существуют экспериментальные данные. Параметры плотности уровней, которые часто используются в модели ферми-газа, были вычислены для ядер альфа-распадных цепочек, содержащих элементы 296 120 , 298 1 20 и 300120. Было продемонстрировано сильное влияние оболочечных эффектов на параметр плотности уровней при Z = 120 и N = 184.

• Изучены зависимости параметра плотности уровней от оболочечной поправки и энергии возбуждения. Определен коэффициент затухания оболочечных эффектов, с ростом энергии возбуждения - E'D = 27 МэВ. Для рассмотренных сверхтяжелых ядер параметр плотности уровней: А/{ 12 - 14) МэВ для Z < 116 и >1/(14 - 17) МэВ - для Z > 116 при энергии возбуждения, соответствующей испарению (3 -5) нейтронов.

1.4 Практическая ценность работы

Полученные результаты могут быть полезны для подготовки экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов, в частности, 120 элемента.

1.5 Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, 3 приложений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 92 страницы машинописного текста. Библиография содержит 91 наименование. Рисунки и таблицы имеют сквозную нумерацию по тексту диссертации.

1.6 Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Лаборатории теоретической физики им. H.H. Боголюбова ОИЯИ, были представлены на российских и международных совещаниях:

1. Конференция в Закопане по ядерной физике, Закопане, Польша, 31.08-7.09.2014;

2. Международная летняя школа им. Гельмгольца: Теория ядра и астрофизические приложения, Дубна, Россия, 21.07-1.08.2014;

3. SKLTP-BLTP JINR объединенное совещание по физике сильно взаимодействующих систем, Дубна, Россия, 14-19.07.2014;

4. Школа-конференция для молодых ученых и специалистов, Алушта-2014, Россия, 2-7.06.2014;

5. 11-й международный весенний семинар по ядерной физике, Оболо-чечная модель и ядерная структура: достижения последних двух десятилетий, о. Икья, Италия, 12-16.05.2014;

6. XVIII Научная конференция Объединения молодых ученых и специалистов (ОМУС-2014), посвященная 105-летию H.H. Боголюбова, Дубна, Россия, 24-28.02.2014;

7. ЯДРО-2013, Москва, международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 8-12.10.2013;

8. FAIRNESS-2013, Берлин, Германия, международная конференция для молодых ученых, интересующихся физикой FAIR, 15-21.09.2013;

9. RANT-2013, Дубна, Россия, международная конференция "Последние достижения в теории ядра", 22-27.07.2013;

10. NSRT-2012, Дубна, Россия, международная конференция "Структура ядра и смежные проблемы", 2-6.08.2012;

11. ЯДРО-2012, Воронеж, Россия, международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 26-30.06.2012;

12. Школа-конференция для молодых ученых и специалистов, Алушта-2012, Украина, 1-8.06.2012;

13. XVI Научная конференция Объединения молодых ученых и специалистов (ОМУС-2012), Дубна, Россия, 6-11.02.2012;

14. 35-я сессия ПКК по ядерной физике, Дубна, Россия, 26-27.01.2012;

15. 18-я Еврошкола по ядерной физике на пучках экзотических ядер, Ювяскюля, Финляндия, 20-26.08.2011.

1.7 Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 работ:

[1] A.N. Kuzmina, G.G. Adamian, N.V. Antonenko Impact of nuclear structure on production and identification of new superheavy nuclei // Eur. Phys. J. A. -2011. -v.47 -p. 145 (7 pages).

[2] A.N. Kuzmina, G.G. Adamian, N.V. Antonenko, W.Scheid Influence of proton shell closure on production and identification of new superheavy nuclei // Phys. Rev. C. -2012. -v.85. -p.014319 (11 pages).

[3] A.N. Kuzmina, G.G. Adamian, N.V. Antonenko Structures of nuclei in a-decay chains o/291'293117 // Phys. Rev. C. -2012. -v.85. -p.017302 (4 pages).

[4] A.N. Kuzmina, G.G. Adamian, N.V. Antonenko Role of quasiparticle structure in a-decays of the heaviest nuclei //. Phys. Rev. C. -2012. -v.85. -p.027308 (5 pages).

[5] A.H. Кузьмина, Г.Г. Адамян, H.B. Антоненко Роль квазичастичной структуры в альфа-распадах сверхтяжелых ядер // Известия РАН, Серия физическая. -2013. -Т.77 -№4. -с.453-457.

[6] A.N. Bezbakh, Т.М. Shneidman, G.G. Adamian, and N.V. Antonenko Level densities of heaviest nuclei // Eur. Phys. J. A. -2014. -v.50. -p.97 (8 pages).

1.8 Личный вклад соискателя

Основные положения и выводы диссертации являются результатом исследований автора. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах научно-исследовательской работы по теме диссертации: в разработке алгоритмов и написании компьютерных программ, проведении расчетов, обработке, анализе и обсуждении полученных результатов, подготовке статей к публикации.

2 Краткое содержание работы

Во введении обсуждается актуальность работы и мотивация проводимых исследований, дается краткий обзор по теме, а также делается краткое описание содержания диссертации. •

В первой главе подробно описывается двухцентровая оболочечная модель ядра, ее модификация и необходимость этой модификации. Рассматриваются изотопы тех свехтяжелых ядер, которые могут быть получены в реакциях полного, слияния с имеющимися налетающими ядрами и мишенями. На основе результатов, полученных при помощи модифицированной двухцентровой оболочечной модели, анализируются свойства сверхтяжелых элементов с Z > 105. Вычисленные, дефекты масс Mt/„ энергии отделения нейтрона Sn, оболочечные поправки óEsh и энергии Qa а-распада представлены в Таблице 1 (см. Приложение 1). На Рис. 1 представлены вычисленные значения Qa. Результаты наших расчетов находятся в хорошем согласии с существующими экспериментальными данными. Отклонение расчета от эксперимента не превышает 0.3 МэВ. .

Результаты вычислений величины B¡ — Вп как функции N представлены на Рис. 2. Хотя наш микроскопическо-макроскопический подход предсказывает подоболочку при Z — 114, оболочечные эффекты при Z = 120 — 126 сильнее. На Рис. 2 величина барьера деления возрастает при приближении N к 184, в то время как, для ядер с Z,= 120 — 126 значения Qa минимальны при Z = 120, где барьеры деления имеют достаточно большие значения (Рис. 2). Ожидается, что ядра с Z = 120 и N = 180—184 будут более стабильными, чем ядра с Z = 114 и N = 176 — 178.

Во второй главе рассматриваются альфа-распадные цепочки, содержащие сверхтяжелые элементы Fl, Lv, 117 и 120. Рассчитанные одно- и • двухквазичастичные спектры ядер в этих цепочках, анализируются на наличие высокоспиновых изомеров. Показано присутствие больших щелей в спектрах ядер 29б.208.300120. Предсказаны ядра, на которых будут происходить обрывы Q-распадных цепочек за счет спонтанного деления.

Используя полученные нами предсказания ядерных свойств, мы рассчи-

Z=117 cx

О

«11 10 9

W/

Z=109 Л \\

9 жЛ * V

:q 7=i()7 ~ ^-Х-Я-и

v z=ii3

Z=119 -

Vj^

15

14

>13 (D

^12 oan 10

9

156 160 164 168 172 176 180 184 188

N

(b)

I " i i—i—i—i—i—|—i—i—i—\

2=122. Z=124

Z=H8 Z=120 Z=112 b

z=iioa^ z=ii6

O-o

J Z=108

4*

u - \ "в-п-п

о 4

X.n л\ Z=1

-В Й

I I V I I I I I I................I I г

160 164 168 172 176 180 184

N

Рис. 1: Вычисленные энергии а-распадов (символы, соединенные линиями) сравниваются с имеющимися экспериментальными данными (символы) для четных-(Ь) и нечетных-Z (а) ядер с 107 < Z < 126.

тали сечения образования испарительных остатков в реакциях 50гП+лС! и 54Сг+лСт (Рис. 3 и 4). При нулевой энергии возбуждения предсказанные значения барьеров деления находятся в интервале (8.1-10.1) МэВ. Ожидается, что в реакции 50Т1+249С£ (С} = -194.75 МэВ) ядро 295 1 20 будет получено в 3п испарительном канале с сечением аЕя=23 фб. В реакции 54Сг + 248Ст (£? = -205.59 МэВ) составное ядро будет иметь на 3 нейтрона больше, чем в реакции 50Тл + 249а. Поэтому убывание вероятности

168 172 176 180 184

N

......¿=1244

188

Рис. 2: Изотопическая зависимость величины В; — Вп взятых из Таблицы 1. Барьер деления В/ считается равным абсолютному значению оболочечной поправки в основном состоянии ядра. Результаты для изотопов, связанных с указанными четными-2Г (Ь) и нечетными-^ (а), представлены символами, соединенными линиями.

слияния Рем частично компенсируется возрастанием выживаемости и ожидается, что ядро 298120 будет получено с сечением 10 фб (4п испарительный канал). Изотопическая зависимость стен. довольно слабая в рассматриваемом интервале массовых чисел А. Существует определенный интервал для А, где произведение Рсы^зиг изменяется слабо. Значения <7£Я почти одинаковые, когда в роли мишени рассматриваются ядра 246Сш

о.

10"

1 1 : 50"П + АСГ 1 Я (38.5) 1 1 а (40.5)

■ в

(37) (40)

(38) " 1 1 1 1

248

249 250

А

251

252

Рис. 3: Рассчитанные максимальные сечения образования испарительных остатков в реакциях 50Т1+ЛСГ в зависимости от А. В скобках даны энергии возбуждения составного ядра. В вычислениях были использованы дефекты массы основного состояния МЛ = 211.8,213.05,213.76,215.15 и 216.05 МэВ для ядер 298 1 20 , 299 1 20 , 300 1 20, зм120 и 302 1 20 соответственно.

№ = -208.07 МэВ) и 248Ст.

В третьей главе изучается плотность состояний при помощи статистического подхода. Эффекты спаривания рассчитываются в БКШ приближении. Параметры плотности уровней извлекаются из сравнения полученного численного решения с результатами расчетов по модели ферми-газа. Определяются зависимости параметра плотности уровней от массового числа, оболочечных эффектов и энергии возбуждения. А также устанавливается наличие зависимости параметра плотности уровней от числа нейтронов и протонов. Минимумы в такой зависимости соответствуют замкнутым оболочкам или подоболочкам.

Поведение параметра плотности уровней а при низкой энергии возбуждения сильно зависит от оболочечной структуры соответствующего ядра. Это показано на Рис. 5. Нижняя и средняя части этих графиков представляют соответственно зависимости оболочечной поправки 6Еи параметра плотности уровней а от атомного номера А для указанных сверхтяжелых ядер. Можно видеть тесную взаимосвязь этих зависимостей. Наибольшие отрицательные оболочечные поправки приводят к снижению величины а по отношению к а соседних ядер. При Z = 120 параметр плотности уровней

ю-2

хГ

сс ш Ь

ю-3

ю-4

Рис. 4: То же, что на Рис. 3, но для реакций 54Сг+лСт.

имеет минимальное значение во всех трех цепочках. Это отражает достаточно сильный эффект протонной оболочки при ^ = 120. Подобное поведение а наблюдается около £ = 82. Таким образом, это подтверждает предположение, что замкнутая протонная оболочка ожидается при Z = 120. В наших расчетах подоболочка при Z = НА существует, но оболочечные эффекты для ядер с Z = 114 проявляются слабее, чем для ядер с2 = 120. Для ядер с ^ = 124 — 128 минимумы обусловлены нейтронной оболочкой при N = 184. Протонные и нейтронные оболочечные эффекты еще более очевидны для протонного {аг) и нейтронного (адг) параметров плотности уровней (Рис. 6).

В Заключении работы приведены основные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты.

Основные результаты, выдвигаемые для защиты:

1. В рамках модифицированной двухцентровой оболочечной модели

проанализированы свойства изотопов сверхтяжелых элементов с 104 < 2 < 130, которые могут быть получены в реакциях полного

слияния с существующими стабильными мишенями и пучками. Для

ряда сверхтяжелых элементов вычислены значения энергии связи ядра, избытка массы ядра, энергии отделения нейтрона и оболочечной поправки. Ожидается, что в реакциях 50Т1+249С! и 54Сг+248Сш

1 1 54Сг + АСт 1 1

г ■ ■ (42.8) :

(40.7)

■ (40) (39) 1 1 1

—|-1_I_1_|_

244 245 246 247 248

А

29

28 % 27

£ 26 й 25

24 ^ 22

о>

20

я 18 -2

> -4

<и

л -8

С/3

м -10

со 1и

Т 1 I 1-1-1-1---1—

Ь и=60 МеУ ^

1 I '—I ' I I I—1—1—<—I—

^ \ Ц=10 МеУ

•о*

/л

260 270 280 290 300 310 320 А

Рис. 5: Вычисленные оболочечные поправки 5Ез1г (нижняя часть) и параметры плотности уровней а при [7=10 (средняя часть) и при 60 МэВ (верхняя часть) в зависимости от массового числа А. Ядра альфа-распадных цепочек, содержащих элементы 296 1 20 , 298 1 20 , 300 1 20, отмечены темными кругами, светлыми кругами и звездочками соответственно.

сечения образования испарительных остатков будут 23 и 10 фб соответственно.

2. Исследованы одно- и двух-квазичастичные состояния в альфа-распадных цепочках нечетно-четных, четно-нечетных и четно-четных ядер. Оценены периоды полураспадов исследуемых ядер и энергии вылета а-частиц. Проанализированы возможные обрывания а-распадных цепочек спонтанным делением. Предсказаны высокоспиновые /¡Г-изомеры в ядрах рассмотренных а-распадных цепочек.

>12

1) £10

2 «Г 8

ф-0~

V4-

-.л -

/

-I-I_I_I-1_I_I_I_I_!_I_,_I_._I_I_I_1.

156 160 164 168 172 176 180 184 188 N

с^б

100 104 108 112 116 120 124 128

Рис. 6: Зависимости вычисленных параметров плотности уровней адг и аг (и = 10 МэВ) от числа нейтронов N (верхняя часть) и протонов 2 (нижняя часть) соответственно. Ядра альфа-распадных цепочек, содержащих элементы 296120,298120, 300120, отмечены темными кругами, светлыми кругами и звездочками соответственно.

Проведены микроскопические расчеты внутренней плотности уровней ядер на основе одночастичпого спектра модифицированной двух-цептровой оболочечной модели. Метод расчета опробован на ядрах, для которых существуют экспериментальные данные. Параметры плотности уровней вычислены для ядер а-распадных цепочек, содержащих элементы 296120, 298 1 20 и 300120. Изучены зависимости параметра плотности уровней от оболочечной поправки сверхтяжелых ядер, эффектов спаривания и энергии возбуждения. Коэффициент затухания оболочечных эффектов с увеличением энергии возбуждения найден равным 27 МэВ. Получены следующие оценки для сверхтяжелых ядер: параметр плотности уровней равен приблизительно А/{12 - 14) МэВ для г < 116 и А/(14 - 17) МэВ - для г > 116 при энергиях возбуждения, соответствующих (3 - 5) нейтронным испарительным каналам.

4. Полученные в ходе работы свойства сверхтяжелых ядер ясно указывают на сильные оболочечные эффекты при N = 184 н2 = 120-126, что находится в согласии с предсказаниями самосогласованных микроскопических моделей.

Получено 13 февраля 2015 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 16.02.2015. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,06. Уч.-изд. л. 1,22. Тираж 100 экз. Заказ № 58467.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/