Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию статистических и динамических характеристик процесса вынужденного деления тяжелых ядер с использованием метода, основанного на эффекте теней, а также развитию экспериментальных методик измерения длительности протекания ядерных реакций.
Актуальность темы
Длительность протекания ядерных реакций является важной характеристикой, позволяющей получать информацию как о динамике ядерных превращений, так и о структурных особенностях взаимодействующих ядер. При этом в ряде случаев подобные сведения не могут быть получены на базе экспериментальных данных по традиционным, интегральным по времени характеристикам ядерных реакций, таким как сечения, массовые и энергетические спектры, угловые распределения продуктов реакций и т.п.
В последние десятилетия существенный прогресс в физике деления атомных ядер связан с созданием В.М. Струтинским и последующим интенсивным использованием модели двугорбого барьера деления. Так наличие второго глубокого минимума потенциальной энергии ядра при больших деформациях позволяет с единых позиций объяснить природу спонтанно делящихся ядерных изомеров, подбарьерных делительных резонансов и др. В рамках модели двугорбого барьера деления спонтанно делящиеся изомеры связываются с нижайшими состояниями во второй потенциальной яме (изомеры формы), а резонансная структура энергетической зависимости сечения подбарьерного деления интерпретируется как проявление возбужденных состояний второй ямы. Детальное изучение этих явлений служит средством исследования низколежащих возбужденных состояний ядер во второй потенциальной яме.
С увеличением же энергии возбуждения исследуемого ядра и переходом в надбарьерную область проницаемость барьера деления приближается к единице, и структура возбужденных состояний во второй потенциальной яме уже практически не проявляется в энергетической зависимости интегральных по времени характеристик распада возбужденного делящегося ядра, таких как сечения. Однако при этом существование у тяжелых ядер двух классов квазистационарпых состояний, реализующихся в первой и второй потенциальных ямах, приводит к значительному изменению динамики прохождения делящимся ядром барьера деления. О.А. Юминовым было предсказано, что наличие второго класса состояний делящегося ядра должно проявляться во временных характеристиках распада возбужденных ядер. Действительно, в
процессе деления возбужденной ядерной системы последовательно заселяются оба класса состояний, тогда как девозбуждение ядра по каналам, связанным с эмиссией нейтронов, легких заряженных частиц или у-квантов, происходит, в основном, из состояний при равновесной деформации. Это связано с тем, что ядро во второй потенциальной яме оказывается более "холодным", чем в первой. Следовательно, длительность распада возбужденного ядра по каналу деления должна превышать длительность его распада по любому другому каналу на величину времени жизни возбужденных состояний второй потенциальной ямы.
Указанная дополнительная временная задержка процесса вынужденного деления может быть определена с помощью экспериментального метода, основанного на эффекте теней. Величина данной задержки определяется характеристиками делящегося ядра в сильно деформированных возбужденных состояниях второй потенциальной ямы, такими как плотность уровней, значения оболочечной поправки и т.п. Исследование дополнительной временной задержки процесса вынужденного деления тяжелых ядер позволяет получать информацию о статистических, статических (тип симметрии формы ядра) и динамических характеристиках процесса деления в широком диапазоне энергии возбуждения и ядерной деформации.
При анализе разнообразных экспериментальных данных, связанных с взаимодействием тяжелых ионов, а также процессом вынужденного деления атомных ядер, в рамках формализма статистической теории ядерных реакций информация о зависимостях плотности уровней ядра от энергии возбуждения и деформации является определяющей. Сравнение экспериментальных значений плотностей уровней в первой и второй потенциальных ямах одного и того же возбужденного ядра могло бы дать уникальную возможность получения такой информации. Отметим, что в настоящее время отсутствует единое мнение об энергетической зависимости плотности уровней во второй потенциальной яме тяжелых ядер. Так в целом ряде работ авторы придерживаются простого предположения о равенстве плотности уровней в первой и второй потенциальных ямах при одних и тех же значениях внутренней энергии возбуждения. С другой стороны, в настоящее время существуют недвусмысленные указания на то, что энергетическое поведение плотности уровней в первой и второй потенциальных ямах различно. Кроме того, очевидно, что основные характеристики ядра (величина деформации, моменты инерции, оболочечные поправки и др.), которые оказывают существенное влияние на величину плотности уровней, различаются в первой и второй ямах. В этой связи получение новой экспериментальной информации об абсолютных значениях плотности уровней во второй
потенциальной яме тяжелых ядер в максимально широком энергетическом диапазоне является безусловно актуальным.
Следует иметь также в виду, что именно вследствие существования оболочек при различных деформациях тяжелые ядра имеют двугорбый барьер деления и два класса возбужденных состояний, реализующихся в первой и второй потенциальных ямах. Важным свойством эффектов оболочечной природы является тот факт, что их влияние на различные ядерные процессы уменьшается с ростом энергии возбуждения ядра и, в конечном счете, при определенной температуре исчезает. При этом с увеличением температуры ядра двугорбый барьер деления должен трансформироваться в одногорбый с одним только классом возбужденных состояний при равновесной деформации. До настоящего времени энергетическое поведение эффектов оболочечной природы продолжает оставаться открытым вопросом. Исследование величины дополнительной временной задержки процесса вынужденного деления тяжелых ядер в широком диапазоне энергии возбуждения может позволить пролить свет на данную проблему. Получение же новой экспериментальной информации об энергетической зависимости оболочечной поправки представляет несомненную актуальность в связи с планированием экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов в реакциях типа слияния-деления под действием тяжелых ионов.
Необходимо отметить, что в последнее время был создан целый ряд экспериментальных методов, позволяющих прямым образом определять длительность протекания ядерных процессов. Из них наиболее широкое применение получили различные время-пролетные методики и предложенный А.Ф. Тулиновым метод, основанный на использовании эффекта теней. С помощью данных методов исследуются характеристики ядерных реакций, протекающих за времена т, > 10"' сек и 10"'9 < т. < 10"'5 сек соответственно. Для изучения же ядерных превращений в диапазоне 10" * 10"'5 сек интенсивно используются методы, основанные на явлении допплеровского смещения линий у-излучения. Однако данные методы не позволяют исследовать распад возбужденных ядер в области перекрывающихся резонансов и распад по каналам с вылетом заряженных частиц. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, направленные на разработку экспериментальных методик определения длительности протекания ядерных реакций, и, в частности, процесса вынужденного деления в указанном временном диапазоне.
Основные результаты диссертации
В диссертации получены следующие новые результаты: 1. Проведены систематические экспериментальные исследования явления дополнительной временной задержки процесса вынужденного деления,
природа которой связана с временем жизни переходных состояний делящегося ядра во второй потенциальной яме. С использованием метода, основанного на эффекте теней, впервые определены значения дополнительной временной задержки в реакциях р + Th, ' U при Е„ = (6.8 - 7.8) МэВ; d + 232Th, 2^238и при Ed = (7.5 - 15.6) МэВ; 3Не + 232Th, при Е3цс = (20.8 - 23.4) МэВ; и a + 232Th при Еа = (21.5 - 31.2) МэВ; а также 28Si + na,Pt при E28Si = (140 - 170) МэВ. Измеренные значения дополнительной временной задержки в исследуемых реакциях лежат в диапазоне от 10"15 до 10'1 сек.
2. Развиты методики теоретического анализа величины дополнительной
временной задержки, с использованием которых была получена новая
экспериментальная информация о статистических, статических (тип
симметрии формы ядра) и динамических характеристиках
возбужденных состояний исследуемых делящихся ядер ( ' Ра,
232,234,235^ 235,236,238.239^ BQ второй П0ТЄНЦИаЛЬН0Й ЯМЄ. ПоЛуЧЄНЬІ
неизвестные ранее значения оболочечной поправки, а также энергетические зависимости плотности уровней во второй потенциальной яме исследуемых ядер. Сделан вывод о нарушении аксиальной и зеркальной симметрии формы делящегося ядра в данных состояниях. Созданы экспериментальные систематики величины дополнительной временной задержки для различных делящихся изотопов и различных значений энергии возбуждения. Обнаружена зависимость значений дополнительной временной задержки от глубины второй потенциальной ямы, что свидетельствует о связи исследуемого явления с временем жизни состояний делящегося ядра во второй яме.
-
Развита методика постадииного теоретического анализа полной длительности процесса вынужденного деления - ту тяжелых ядер, учитывающая: время установления термодинамического равновесия на начальной стадии образования составной ядерной системы; время жизни составных ядер, образующихся на различных ступенях испарительных каскадов; динамические времена установления стационарного тока в седловой точке барьера деления и времена «спуска» делящейся ядерной системы от седловой точки до точки разрыва; а также время девозбуждения образующихся в исследуемой реакции осколков деления. Указанная методика апробирована на примере анализа экспериментальных значений г/для реакции 28Si + ""'Pt. Получена новая информация о температурной зависимости оболочечной поправки, которая может быть описана функцией Ферми со значением параметра затухания Т0 = 1.85 МэВ. Показано, что двугорбая структура барьеров деления сохраняется вплоть до энергий возбуждения ~ (50 — 70) МэВ.
-
Впервые установлено наличие единой энергетической зависимости т/ для делящихся ядер с Z = 91 — 94 в диапазоне начальной энергии
возбуждения от 5 до 250 МэВ. Выделены области энергии возбуждения делящегося ядра, в которых была получена новая экспериментальная информация различного сорта: о структурных характеристиках конкретных делящихся ядер (при энергиях возбуждения ниже ~30 МэВ); об энергетической зависимости эффектов оболочечной природы (в области энергий возбуждения вблизи 50 - 70 МэВ), а также выделена область энергий возбуждения, в которой может быть получена информация о величине и механизмах ядерной вязкости (> 100 МэВ).
-
Предложен новый метод измерения длительности протекания ядерных реакций, основанный на использовании явления торможения заряженных частиц в веществе (метод торможения) и применяемый для определения времени жизни составных ядерных систем, распадающихся по каналам с вылетом заряженных частиц, во временном диапазоне от 10"15 до 10"' сек. С использованием метода торможения измерены времена жизни резонансных состояний (5.47 МэВ, 7/24) ядра ,9F и (5.62 МэВ, 3") ядра 20Ne, заселяемых в реакциях 7Li(I60, а) и 7Li(lsO, 3Н) соответственно, при энергии бомбардирующих ионов кислорода 120 МэВ.
-
Показано, что метод торможения, а также его модификация, остюванная на исследовании угловых корреляций осколков вынужденного деления, позволяет проводить экспериметгтальные исследования статистических и динамических характеристик процесса вынужденного деления тяжелых ядер, в частности, явления дополнительной временной задержки, неэкспоненциальность законов распада ядер с двумя классами возбужденных состояний, реализующихся в первой и второй потенциальной ямах. Кроме того, показана возможность применения метода торможения для поиска неизвестных ранее короткоживущих (10'1 * 10"15 сек) спонтанно делящихся изомеров, а также для исследования процессов образования и распада сверхтяжелых ядер.
Достоверность результатов
Достоверность результатов, полученных в диссертации на основе проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа полученной информации, обеспечена использованием современных экспериментальных методов и апробированных теоретических моделей. Она также подтверждена согласием с имеющимися соответствующими экспериментальными данными и с выводами работ других авторов.
Личный вклад автора
В работах, выполненных с соавторами, автору диссертации принадлежат: постановка тех задач, которые вошли в основные положения диссертации, проведение экспериментальных измерений и теоретического анализа полученных экспериментальных данных. В частности, автором были проведены измерения длительности вынужденного деления широкого круга тяжелых ядер, развиты методы теоретического анализа величины дополнительной временной задержки и метод постадийного теоретического анализа полной длительности процесса вынужденного деления. На основе этих разработок автором проведен анализ широкого круга экспериментальных данных, полученных с использованием метода теней, благодаря которому им была получена информация о структурных характеристиках конкретных делящихся ядер, а также о температурной зависимости оболочечной поправки. Кроме того, автором была предложена новая экспериментальная методика измерения длительности протекания ядерных реакций, основанная на использовании явления торможения заряженных частиц в веществе, а также ее модификация, основанная на исследовании угловых корреляций осколков вынужденного деления. В ходе разработки данных методик автором были выполнены: постановка экспериментов по апробации метода торможения, проведение конкретных измерений, создание и апробация программ по описанию полученных результатов, проведение предсказательных расчетов.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы обусловлена прежде всего тем, что в
ходе проведенных исследований были созданы новые экспериментальные
методики исследования статистических, динамических и статических
характеристик составных ядер. В частности, было показано, что данные
методики позволяют исследовать характеристики сильно
деформированных переходных состояний тяжелых ядер, заселяющихся в процессе вынужденного деления, механизмы их образования и распада.
С использованием метода, основанного на эффекте теней, впервые были проведены систематические экспериментальные исследования явления дополнительной временной задержки процесса вынужденного деления в широком круге ядерных реакций, протекающих под действием как легких заряженных частиц, так и тяжелых ионов.
В ходе проведенных исследований была развита новая методика постадийного теоретического анализа полной длительности процесса вынужденного деления тяжелых ядер, а также методы анализа величины дополнительной временной задержки, с использованием которых была
получена новая экспериментальная информация о параметрах двугорбых барьеров деления; энергетических зависимостях плотности уровней и типе симметрии формы исследуемых ядер во второй потенциальной яме; абсолютных значениях и энергетической зависимости оболочечных поправок.
Анализ полученных энергетических зависимостей плотности уровней во второй потенциальной яме исследуемых делящихся ядер позволил связать значительное превышение абсолютных значений плотности уровней во второй яме по сравнению со значениями плотности уровней при равновесной деформации с увеличением вклада эффектов коллективной природы, а также сделать вывод о нарушении аксиальной и зеркальной симметрии формы делящегося ядра во второй потенциальной яме. Получение подобной информации иными, традиционными способами является затруднительным. Результаты определения абсолютных значений плотности уровней во второй потенциальной яме тяжелых ядер могут послужить основой для дальнейшего совершенствования существующих теоретических представлений о характере зависимости плотности уровней атомных ядер от их энергии возбуждения и деформации, а также могут быть полезными при проведении взаимосогласованного анализа большой совокупности экспериментальных данных, относящихся к процессу вынужденного деления.
Были созданы экспериментальные систематики величины дополнительной временной задержки для различных делящихся изотопов и различных значений энергии возбуждения. Была обнаружена зависимость значений дополнительной временной задержки от глубины второй потенциальной ямы, что надежно свидетельствует о связи исследуемого явления с временем жизни состояний делящегося ядра во второй потенциальной ямс.
Была получена новая информация о температурной зависимости оболочечной поправки, которая может быть описана функцией Ферми со значением параметра затухания То = 1.85 МэВ. Было показано, что двугорбая структура барьеров деления сохраняется вплоть до энергий возбуждения ~ (50 - 70) МэВ. Данный результат, свидетельствующий о сохранении оболочечных эффектов вплоть до столь высоких значений ядерной температуры (~ 2 МэВ), может оказаться полезным при планировании экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов в реакциях под действием тяжелых ионов.
Впервые установлено наличие единой энергетической зависимости длительности вынужденного деления для делящихся ядер с Z = 91 — 94 в уникально широком диапазоне начальной энергии возбуждения от 5 до 250 МэВ. Сам факт существования подобной зависимости, составленной из экспериментальных данных, полученных в различных ядерных реакциях, протекающих под действием как легких заряженных частиц, так и тяжелых
ионов (исследуемых как в прямой, так и в обратной кинематике) свидетельствует, прежде всего, о надежности экспериментальной методики, основанной на эффекте теней. Вместе с тем, выполненный в настоящей диссертационной работе теоретический анализ призван внести ясность в традиционно обсуждаемый вопрос о круге делящихся ядер, перспективных с точки зрения исследований методом теней, а также обозначить диапазоны энергий возбуждения исследуемых ядер, в которых может быть получена экспериментальная информация различного сорта.
Кроме того, был предложен новый экспериментальный метод измерения временных характеристик ядерных реакций в диапазоне 10"10 * 10" 5 сек (метод торможения). В отличие от интенсивно используемых в этой области допплеровских методик, основывающихся на у-спектроскопии выделенных возбужденных состояний, метод позволяет прямым образом измерять временные характеристики распада ядерных систем по каналам с испусканием заряженных частиц, а также работать в области сильно перекрывающихся резонансов.
Была продемонстрована возможность использования метода торможения, а также его модификации, основанной на исследовании угловых корреляций осколков вынужденного деления, для измерения временных характеристик процесса околобарьерного деления тяжелых ядер, для поиска и определения характеристик короткоживущих (10"10 + 10" 15 сек) спонтанно делящихся изомерных состояний, а также для исследования процессов образования и распада сверхтяжелых ядер.
Полученные в диссертации результаты могут найти и частично уже нашли свое применение в экспериментальных исследованиях процесса вынужденного деления тяжелых ядер, которые проводятся в ряде российских и зарубежных научных центрах (НИИЯФ МГУ, РНЦ «Курчатовский институт», ЛЯР ОИЯИ, GSI (г. Дармштадт, Германия) и INFN (Италия)).
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ, ЛЯР ОИЯИ, ИТЭФ, Института ядерных исследований АН Украины (г. Киев), университетов г. Болонья и г. Мессина (Италия), Ускорительной Лаборатории Леньяро (Италия), а также на международных конференциях:
-
15-ом - 21-ом Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия частице кристаллами, Москва, 1985 - 1991;
-
International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS) - (11-ая -Washington, USA, 1985), (12-ая - Okayama, Japan, 1987), (13-ая - Aarhus, Denmark, 1989), (16-ая - Linz, Austria, 1995), (18-ая - Odense, Denmark,
1999), (19-ая - Paris, France, 2001), (20-ая - Puri, India, 2003), (21-ая -Genova, Italy, 2004);
-
36-ом - 55-ом Международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 1986 - 2005;
-
Международной школе-семинаре по физике тяжелых ионов (Дубна, Россия)- 1986, 1989, 1993, 1997,2002;
-
International Conference on Nucleus-Nucleus Collisions — 1994 (Taormina, Italy), 2000 (Strasbourg, France), 2003 (Moscow, Russia);
-
Международной конференции "Fiftieth Anniversary of Nuclear Fission", Ленинград, СССР, 1989;
-
II Международном симпозиуме по временным характеристикам ядерных реакций, Москва, Россия, 1993;
-
П-ом и Ш-ем Международных семинарах по взаимодействию нейтронов с ядрами, Дубна, Россия - 1994, 1995;
-
International Symposium "Large-Scale Collective Motion of Atomic Nuclei", Brolo (Messina), Italy, 1996;
lO.Intemational Conference on "Nuclear Data for Science and Technology",
Trieste, Italy, 1997; 11.International Symposium "Shell-Model 1997", Stockholm, Sweden, 1997; 12.Intemational Nuclear Physics Conference, Paris, France, 1998; 13.Международном совещании по физике деления, Обнинск, Россия, 1998; 14.International Conference 50 Years of the Nuclear Shell Model. Present State
and Future Trends, Heidelberg, Germany, 1999; 15.International Conference "Bologna - 2000. Structure of the Nucleus at the
Dawn of the Centure", Bologna, Italy, 2000; 16.Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики»,
Саратов, Россия, 2000; l7.Intemational Conference "Nuclear Physics at Border Lines", Lipari
(Messina), Italy, 2001; 18.International Nuclear Physics Conference "Nuclear Physics in the 21-st
Century", Berkley, USA, 2001; 19.Intemational Symposium "New Projects and Lines of Research in Nuclear
Physics", Messina, Italy, 2002; 20.1nternational Symposium on Nuclear Physics "Tours 2003", Tours, France,
2003.
Исследования, результаты которых вошли в настоящую диссертацию, были поддержаны Российским Фондом Фундаментальных Исследований в 1998-2000 гг. (грант № 98-02-16911 «Исследование энергетической зависимости оболочечных эффектов в реакциях слияния-деления под действием тяжелых ионов») и в 2002-2004 гг. (грант № 02-02-17077 «Исследование динамики процесса вынужденного деления тяжелых ядер»).
Структура и объем диссертации
