Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ И СТРУКТУРА ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЯДЕР В ОБЛАСТИ Z = 50 10
1.1. Магнитные моменты в рамках модели оболочек с jj -связью II
1.1.1. Одночастичные оценки магнитных моментов II
1.1.2. Магнитные моменты и структура многочастичных состояний. Соотношение аддитивности 12
1.1.3. Влияние смешивания конфигураций и спиновая поляризация остова 18
1.1.4. Аномальный орбитальный магнетизм нуклонов и мезонные обменные эффекты 23
1.1.5. Двухчастичное спин-орбитальное взаимодействие . . 25
1.2. Эффективный оператор магнитного момента 26
1.3. Магнитные моменты коллективных состояний четно-четных ядер 28
1.4. Магнитные моменты нечетных ядер 40
1.4.1. Магнитные моменты нечетных ядер в рамках модели "ангармонический осциллятор + квазичастица" ... 50
1.4.2. Магнитные моменты нечетных ядер в рамках неадиабатической роторной модели. Предельный случай . . 56
ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 63
2.1. Экспериментальная установка 68
2.1.1. Геометрия эксперимента. Система транспортировки и формирования пучка 69
2.1.2. Реакционная камера. Электромагнит 72
2.1.3. Детектор /-излучения 75
2.1.4. Система промигивания 75
2.1.5. Структурная схема временного спектрометра .... 82
2.1.6. Система стабилизации временного спектрометра ... 85
2.1.7. Электронное оборудование эксперимента 87,
2.1.8. Ge(Li)- спектрометр 101
2.2. Градуировка магнитного поля 101
2.3. Выбор и приготовление мишеней 104
2.4. Обработка экспериментальных данных НО
ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 112
3.1. Q,-фактор состояния 15/2+, 1733,8 кэВ в ядре fill П2
3.2. Q -фактор состояния Н/2", 846 кэВ в ядре Cd « ИЗ
3.3. й-фактор состояния 2I/2+, 2717 кэВ в ядре In . . П5
3.4. ^-факторы состояний 6+, 2552 кэВ в II2SKI и
И/2", 740 кэВ в II3Sn 117
3.5. Q-факторы состояний И/2", 1300,2 кэВ; 19/2"
$96,3 кэВ в II5Sb и II/Z", 1323 кэВ в ІҐ7БЬ ... 123
3.6. Q-факторы состояний 5/2+, 274,4 кэВ в П7Те; 5/2+,
320,4 кэВ в П9Те и 7/2+, 443,1 кэВ в ШТе .... 130
ГЛАВА ІV. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 144
4.1. Магнитные моменты одночастичных состояний в окрестности Z = 50144
4.1.1. Магнитные моменты П-м/о -состояний в Cd ,
113^115.117 ;1;2 М7
4.1.2. Магнитные моменты Q7/2. -состояния в
121Те и СІ5/2 - состояний в II7'II9Te 160
4.2. Структура возбужденных состояний изотопов Те ... . 164
4.2.1. Коллективные свойства четно-четных изотопов Те . 164
4.2.2. Одночастичные и коллективные возбуждения в нечетных изотопах Те 176
4.3. Магнитный момент и структура 6+ состояния в Sn 183
4.4. Магнитные моменты и структура трехчастичных состо-яний в 10bftn , ШІП и п55Ь 186
ЗАКЛЮЧЕНИЕ . .и 200
- Магнитные моменты в рамках модели оболочек с jj -связью
- Экспериментальная установка
- Q,-фактор состояния 15/2+, 1733,8 кэВ в ядре fill
- Магнитные моменты одночастичных состояний в окрестности Z = 50
Введение к работе
Развитие ядерных моделей, систематизация ядерных данных с целью выявления особенностей структуры ядер основаны на количественной экспериментальной информации о ядерных характеристиках, которой, однако, во многих случаях недостаточно, особенно для ядер переходных областей. В то же время именно переходные ядра, для которых характерно сложное переплетение одночастичных, вибрационных и ротационных движений, представляют собой наиболее интересные объекты (особенно ядра с нечетными массовыми числами) для выяснения роли различных мод возбуждения в формировании ядерной структуры и механизма их связи.
Многообразие мод возбуждения в этих ядрах отразилось в обилии теоретических моделей, применяемых для интерпретации отдельных сторон ядерной структуры. Модель аксиального и неаксиального ротаторов, учет в них центробежного растяжения в различных модификациях и кориолисова взаимодействия, модель переменного момента инерции с динамической асимметрией, модель ангармонического вибратора, кластерновибрационная модель, учитывающая связь трех частиц (дырок) с гармоническими колебаниями остова, различные варианты метода проецирования и модели принудительного вращения. Однако, исходя из различных предположений о сферической или деформированной форме ядра, эти модели дают примерно одинаковое согласие с экспериментом.
В последние годы были созданы теоретические модели, претендующие на единое описание ядер с различными равновесными формами, и поэтому их применение для объяснения структуры переходных ядер является наиболее привлекательным. Это модель динамической деформации /І/, в основу которой положена обобщенная коллективная модель (ОКМ), феноменологическая модель взаимодействующих бозонов (МВБ), в которой коллективные возбуждения ядра рассматриваются как результат взаимодействия S и d-бозонов /2-4/, полумикроскопическая модель коллективных возбуждений ядер Р.В. Джолоса и др. /5/, полумикроскопическая квазичастично-фононная модель В.Г. Соловьева /6/. Для установления более глубоких связей между различными, на первый взгляд, подходами, которые дают сравнимые результаты, требуются новые экспериментальные данные не только об энергиях ядерных состояний и их квантовых характеристиках, которые отражают лишь самые общие черты ядерной структуры, но также о весьма критичных к структуре параметрах, какими являются динамические и статические электромагнитные моменты. Так, например, величина электрического квадрупольного момента характеризует форму ядра, определяемую его коллективной природой, а магнитный дипольный момент возбужденного ядра несет прежде всего информацию об одночастичных свойствах исследуемых состояний. Определяемая только структурой ядерного состояния, величина магнитного момента является идеальным тестом для проверки различных теоретических подходов при описании многообразных свойств переходных ядер. Так, предположение об одно-частичном характере взаимодействия нуклонов и сохранении магнитных свойств свободного нуклона в ядре позволили установить качественную корреляцию измеренных моментов нечетных ядер с предсказаниями одночастичной модели оболочек /7/. Отклонение экспериментальных величин магнитных моментов от одночастичных оценок для околомагических ядер обусловлено, главным образом, двумя эффектами: спиновой поляризацией остова (смешиванием спин-орбитальных дублетов) и обменными мезонными токами. По мере удаления от замкнутых оболочек начинает также проявляться эффект сильного смешивания оболочечных конфигураций. Проявление как поляризации остова, так и обменных токов в магнитных моментах может быть исследовано экспериментально путем измерения с высокой точностью q -факторов определенных групп - б - ядерных состояний. Например, информацию о поляризации остова, вклад которой определяется числом нечетных нуклонов в оболочке, можно извлечь из Q -факторов состояний для одной и той же оболочки, но с разным числом валентных нуклонов. Аномалия орбитального магнетизма нуклонов (обменные эффекты) в благоприятных случаях может быть оценена из g-факторов высокоспиновых состояний /8,9/. Таким образом, экспериментальные значения магнитных моментов могут дать информацию о волновой функции исследуемого состояния, если определен оператор магнитного момента. В тех случаях, когда ядерное состояние характеризуется относительно простой структурой, открывается возможность оценить вклады спинового и орбитального магнетизма нуклонов в полный магнитный момент ядра.
В нечетных переходных ядрах в окрестности Z = 50 динамическое взаимодействие валентной частицы с остовом, вызывая изменение схемы связи моментов коллективного и внутреннего движения, порождает большое разнообразие ядерных состояний. Изменение связи угловых моментов проявляется в энергетике и электромагнитных свойствах этих ядер, экспериментальная информация о которых довольно скудна, особенно о магнитных моментах возбужденных состояний.
Следовательно, постановка экспериментов по измерению магнитных моментов возбужденных состояний является актуальной и важной задачей, а извлеченная из этих экспериментов информация станет хорошей предпосылкой для дальнейшего развития ядерных моделей.
Целью настоящей диссертационной работы является: получение новой количественной информации о магнитных моментах и временах жизни изомерных состояний ядер в области Z = 50, возбуждаемых в реакциях (е<,2кі ) на пучке циклотрона методом ВУР; установление конфигурации изомерных состояний на основании полученных в эксперименте значений магнитных моментов и времен жизни; изучение применимости модели оболочек с j і -связью, различных вариантов модели "частица + остов" (остов - аксиальный ротатор или ангармонический вибратор), квазичастично-фононной модели с учетом поляризации остова для описания электромагнитных свойств нечетных ядер в области Z = 50. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе представлен краткий обзор моделей, которые в настоящее время наиболее успешно объясняют магнитные свойства ядер в области массовых чисел 100 < А < 150. Основное внимание уделено описанию магнитных моментов на основе различных предположений о характере движения нуклонов в ядре. Анализируются причины отклонения величин магнитных моментов от одночастичных оценок. Подробно изложены различные варианты модели "частица + остов", когда в качестве остова выбирают ангармонический вибратор или аксиальный ротатор.
Вторая глава посвящена описанию эксперимента по измерению магнитных моментов и времен жизни изомерных состояний, возбуждаемых в ядерных реакциях на импульсном пучке циклотрона, методами дифференциального и интегрального возмущенного углового распределения ) -излучения (ДВУР и ИВУР). Подробно рассмотрена установка, реализующая указанные методы измерения магнитных моментов. Приведено детальное описание разработанных автором систем и блоков установки, применение которых позволило провести высокоточные измерения магнитных моментов изомерных состояний с временами жизни до 10~с. В третьей главе изложены экспериментальные результаты. Методом ДВУР измерены а -факторы и времена жизни одиннадцати изомерных состояний в ядрах До , Cd , ІРІ , StX , Sb, Те и методом ИВУР
ТТ9 - состояния 5/2+ в ядре -Те.
В четвертой главе обсуждаются экспериментальные результаты. В рамках моделей, физические основы которых изложены в первой главе, проведен детальный анализ измеренных магнитных моментов изомерных состояний. Установлены конфигурации исследуемых многочастичных сое- тояний на основе правила аддитивности моментов. Проведено сравнение результатов модельных расчетов с экспериментальными данными. В заключении сформулированы основные результаты, полученные в данной диссертационной работе. Создана методика измерения на пучке циклотрона времен жизни и магнитных моментов изомерных состоя-
9 -6 ний, имеющих период полураспада от 2x10 с до 10 с при достижимой погрешности 1%, Получены пять новых экспериментальных значений магнитных моментов изомерных состояний в ядрах .До, Г/Я , Ski, Sb, Те и измерены с более высокой точностью магнитные моменты шести изомерных состояний в ядрах
ТТ7 121 ІХ Те, хТе и времена жизни всех исследуемых изомерных состояний.
Показана необходимость учета эффектов поляризации остова и обменных мезонных токов для объяснения магнитных моментов ядер в области Z =50. На основе правила аддитивности установлены доминирующие оболочечные конфигурации изучаемых в данной работе многочастичных состояний. Обнаружена аномалия орбитального магнитного момента нейтрона в изотопах олова. Установлено, что структура низколежащих состояний околомагических ядер сурьмы определяется большим вкладом коллективного движения. Подтверждено сосуществование в изотопах теллура ядерных состояний с различными равновесными формами. Показано, что для описания электромагнитных свойств нечетных ядер вблизи магического числа Z = 50 наиболее точным является подход, учитывающий связь квазичастицы с ангармоническими колебаниями остова.
Полученные экспериментальные данные включены в компиляцию "Моменты основных и возбужденных состояний ядер" (Атомиздат, 1979 г.) /10/, в периодическое издание " 71UCtearDatd Sheets ", а также переданы в Центр ядерных данных (ІЩ) при ЛИЯФ АН СССР.
Основные результаты исследований, положенные в основу диссертационной работы, докладывались на XXIX (Рига, 1979 г.), XXXI (Самарканд, 1981 г.), ХХХП (Киев, 1982 г.) и ХХХШ (Москва, 1983г.) _ 9 -
Всесоюзных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Всесоюзной конференции по ядерно-физическим исследованиям (Харьков, 1982 г.) и опубликованы в трудах совещаний /11-16,19-22/, в журнале "Известия АН СССР", сер. физ. /17,18/.
Настоящая работа является частью исследований, которые проводятся на кафедре экспериментальной ядерной физики Харьковского госуниверситета по темам "Исследование структуры атомных ядер, возбуждаемых в реакциях с заряженными частицами" (номер государственной регистрации 76081899) и "Исследование строения ядра и механизмов ядерных реакций при низких и средних энергиях" (номер государственной регистрации 8I07750I).
На защиту выносятся:
Экспериментальные значения магнитных моментов одиннадцати изомерных состояний ядер 10ЬЦ , I07Cd , Ш]л, II2,II3Sn, 115,117^ 117,119,12Ije ^ возбуждаемых в реакциях (оС}2пр.
Усовершенствованная методика измерения на пучке циклотрона времен жизни и магнитных моментов изомерных состояний ядер, позволившую расширить область доступных экспериментальному исследова- нию изомеров ( от Tj А? = 2 10 с до Ту л? =10 с) и обеспечить высокую точность эксперимента ( погрешность - 1% ).
3. Результаты анализа экспериментальных данных в рамках современ ных модельных представлений о ядре, свидетельствующие о пред почтительности подхода, учитывающего связь квазичастицы с ангар моническими колебаниями остова при описании свойств нечетных ядер в окрестности Z = 50.
Магнитные моменты в рамках модели оболочек с jj -связью
Согласно одночастичной оболочечной модели все парные нуклоны образуют остов с нулевым спином, поэтому спин и четность ядра определяются состоянием последнего непарного нуклона. Магнитный дипольный момент нечетного ядра в данной модели также определяется магнитным моментом непарного нуклона.
Для нуклона, движущегося в самосогласованном поле ядра, матричный элемент (2) можно вычислить на основе векторной модели. Векторы [ и S прецессируют вокруг постоянного вектора І = і + S и среднее значение магнитного момента "и записывается в видегде С$- I, QL- 5,5856; 0«= О, (L= -3,8263 - орбитальные и спиновые гиромагнитные отношения протонов и нейтронов, Ог-гиромагнитное отношение ядра со спином І = І — t — 1/2 .
Выражение (3) дает одночастичные значения магнитных моментов протонных и нейтронных состояний с различными і , называемые пределами Шмидта /24/. Эти предельные значения представлены в таблице і. Между пределами Шмидта, полученными для j=c + l/2 и j=- f/2 , лежат почти все известные к настоящему времени значения измеренных экспериментально магнитных моментов возбужденных и основных состояний нечетных ядер. Уто означает, что одночастич-ная оболочечная модель лишь качественно отражает поведение магнитных моментов и не описывает деталей структуры ядра. Однако, магнитные моменты околомагических ядер, отличающихся на один нуклон от ядер с замкнутой оболочкой, находятся, как правило, вблизи шмидтовских значений. Значительные отклонения экспериментальных магнитных моментов от одночастичных оценок объясняются тем, что в волновой функции не учтены корреляции в движении нуклонов остова, а оператор магнитного момента свободного нуклона отличается от оператора нуклона, находящегося в ядре в связанном состоянии.
Экспериментальная установка
В ИЯИ АН УССР более десяти лет назад была создана экспериментальная установка для измерений п -факторов возбужденных состояний ядер на пучке циклотрона У-І20 /103/. Эта установка позволила получить значения магнитных моментов ряда изомерных состояний, период полураспада которых не превышал периода следования сгустков в пучке циклотрона (,Т0 = 92 не).
Нами был предложен новый вариант установки, с вводом в эксплуатацию которой стало возможным измерение времен жизни и магнитных моментов изомерных состояний, имеющих период полураспада от 2x10 с до 10 с при достижимой погрешности 1% /11,12/.
В основу установки, как и прежде, положен метод ДВУР. По сравнению с предыдущей новая установка имеет следующие функциональные отличия:
- возможность увеличения периода следования сгустков ускоренных частиц на мишени, что достигается применением так называемого способа "промигивания", то есть удалением части сгустков выведенного пучка циклотрона;
- наличие точной автоматической фиксации временной шкалы спектрометра, осуществляемой электронной системой стабилизации;
- возможность работы установки "на линии" с ЭВМ, что позволило вести одновременную регистрацию восьми временных спектров с малым шагом квантования по оси времени.
Ниже приводится детальное описание установки, успешно эксплуатируемой с 1978 года на пучке циклотрона У-І20 ИЯИ АН УССР.
Q,-фактор состояния 15/2+, 1733,8 кэВ в ядре fill
Низколежащие возбужденные состояния ядра наблюдались в распаде изотопа и в реакциях однонуклонной передачи /135,136/. В 1978-79 гг. появились первые три публикации посвященные исследованию высокоспиновых состояний fia .
В работе /137/ использовалась реакция Zf-{ и , р 2п/) при энергии Е16 = 60 МэВ, в /138,139/ - реакция I03RhU Л И) при энергиях oL -частиц Е = 19-25 МэВ иЕ = 17-32 МэВ соответственно. Результаты этих работ согласуются между собой и дополняют друг друга. Однако, наиболее полная информация, как экспериментальная, так и теоретическая, о схеме уровней Яй содержится в работе /139/, особенно об уровнях с большими угловыми моментами. В этой работе, кроме того, показано, что состояние 15/2+, 1733,8 кэВ является изомерным и имеет время жизни Tj/2 « 6,0(2) не.
Исследуемое нами изомерное состояние также возбуждалось в реакции Rh(ot,2tt/), однако, наш эксперимент /16,17/, в отличие от /139/, проведен при энергии бомбардирующих ?С-частиц более оптимальной для реакции с вылетом двух нейтронов (Еу=28 МэВ). Вре - из менные спектры измерялись для Е2-перехода 1065 кэВ, идущего непосредственно с исследуемого уровня (рис. 20). Напряженность внешнего магнитного поля равна 3,48(1) Т. Кривая распада, полученная из суммы временных распределений /-лучей 1065 кэВ для углов - 135, и нормализованная разность этих распределений для тех же углов приведены на рис. 20. Полученные отсюда время жизни и Q -фактор равны: Tj/ = 5,1(4) не и Q - + 0,497(19). Поправки на сдвиг Найта (+0,43%) и диамагнитное экранирование (-0,49%) не изменяют величину й-фактора при достижимой точности измерений.
В работе /139/ также измерен Q -фактор состояния 15/2+, 1738,8 кэВ. Измерение временных распределений /-лучей 816,5 и 1065 кэВ в магнитном поле напряженностью 1,50(2) Т и совместная их обработка дали следующее значение G-фактора: Q(15/2+, 1733,8 кэВ) = 0,58(6).
Точность этого эксперимента значительно уступает нашему прежде всего потому, что нами используется магнитное поле более высокой (в 2 раза) напряженности и применяется специальная система стабилизации временной привязки момента перехода пучка на мишень к фазе ускоряющего напряжения (см. гл.П). Измерение Q -фактора изомерного состояния 16/2+ 1ио выполнено в Россендорфе на циклотроне У-І20 /140/. Условия эксперимента аналогичны нашим. Значение О, = = + 0,508 (26) хорошо согласуется с величиной, полученной нами.
Магнитные моменты одночастичных состояний в окрестности Z = 50
Многие свойства ядер вблизи заполненных оболочек успешно объясняются в рамках оболочечной модели. Однако, магнитные моменты валентных нуклонов, которые, как было показано в разд. І.І, сильно отличаются от одночастичных оценок, не могут быть вое -произведены с помощью оболочечных расчетов. Трудности модели оболочек в объяснении магнитных свойств связаны, прежде всего, с использованием в расчетах ограниченного конфигурационного про -странства. Это приводит к заметному снижению вклада в магнитный момент, обусловленного смешиванием конфигураций (разд. І.І.З.). Более того, в модели оболочек, как правило, не учитываются об -менные мезонные точки, которые также могут привести к ощутимому изменению магнитного момента (разд. І.І.4). Даже преодолев эти ограничения, вряд ли можно ожидать заметного улучшения количественного описания магнитных свойств ядер. Если требуемые параметры для количественных оценок вклада конфигурационного смешивания, и в первую очередь спиновой поляризации остова, могут быть получены из эксперимента, то расчеты вклада обменных токов носят весьма качественный характер из-за сильной чувствительности к взаимодействию между нуклонами на малых расстояниях. Однако, проявление эффектов поляризации остова и обменных мезонных токов в магнитных свойствах ядер может быть исследовано экспериментальным путем измерения с высокой точностью Q -факторов определенных групп ядерных состояний для различных областей ядер. Например, информация о поляризации остова, вклад которой зависит от числа валентных нуклонов в оболочке, может быть получена из экспериментальных значений о-факторов ряда состояний с конфигурацией и] . Анализ Q -факторов многочастичных высокоспиновых состояний, магнитные свойства которых в отдельных случаях могут определяться только орбитальным движением нуклонов, позволяет оценить вклад обменных эффектов. Такого рода полуэмпирический анализ с использованием уравнения (24) выполнен для протонных состояний в различных областях ядер вблизи замкнутых оболочек /8,9,166/; для нейтронных состояний информация ограничена. В настоящей работе проведен подобный анализ для ядер в окрестности Z 50 /17,18/, результаты которого изложены ниже.
