Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Исследование физических процессов, стимулированных ион-ионными столкновениями, составляет одно из главных направлений экспериментальной и теоретической физики последнего времени. Это обусловлено ценностью получаемой в процессе исследования информации о динамике ядро-ядерного соударения, свойствах межъядерлого взаимодействия, деталях структуры сталкивающихся частиц, механизме реакции и пр. Наряду с этим остается пока малоизученным такое возможное направление исследований в этой области, как стимулирование естественной и искусственной радиоактивности ядер в нуклон-ядерных и ядро-ядерных столкновнтельных системах. Столкновения нуклонов или ядер с ядрами при достаточной относительной энергии и выполнении необходимых квантовых пра-зил отбора могут ускорить j-разрядку метастабнльных ядерных состояний, а- или /2-распад естественноактнвных изотопов, а также сделать возможными новые явления: а- или ji-распад стабильных изотопов. В известной мере аналогом последних является достаточно хорошо изученное ядерное тормозное излучение, т.е. процесс, в котором также столкновения 7-стабильных частіш рождают электромагнитное излучение. Все выше перечисленные процессы могут рассматриваться как следствие свободно-свободных переходов в динамической столкновительной системе. Не исключено, что их исследование позволит получить не только более ясную физическую картину столкновнтелыюго процесса, но и выявить такие особенности распадных процессов, которые ранее были не известны в естественных условиях. Во-первых, само столкновение ядерных частиц при одновременном осуществлении радиоактивного процесса, переходит в разряд неупругих. Это открывает новые возможности для изучения структурных характеристик сталкивающихся частиц и особенностей межъядерного взаимодействия. Во-вторых, за счет столкновения существенно расппіряются как энергетический диапазон, так и интервал переданных импульсов, что создает необычные условия для реализации также и распадных процессов и может выявить новые их закономерко-
стії. Таким образом, исследование ноиого явления - /3-распада j3-стабнльных ядер, стимулиропашюго нуклон-ядернымн и ядро-ядерными столкновениями - весьма актуально.
Процесс столкновительного ,3-распада пока эксперименталь-но не исследован, поэтому результаты его теоретического изучения полезны не только сами по себе, но и необходимы при планировании таких экспериментов в будушем.
Исследование столкновительных распадных процессов может оказаться актуальным и в плане решения некоторых проблем ядерной астрофизики, в частности, при решении старой астрофизической проблемы происхождения обойденных изотопов. До настоящего времени она. по-сушеству, так и остается одной из нерешенных. Как известно, обойденные изотопы (их насчитывается больше 30) - это наиболее богатые протонами J-стабильные ядра, тяжелее железа. В то время как, согласно стандартной теории происхождения химических элементов, наиболее распространенные изотопы тяжелее железа сформировались, очевидно, в недрах массивных звезд в процессах, основанных на механизме нейтронного захвата с последующим (или одновременным) /3_-распадом образовавшихся изотопов (г- и s-процессы), эти тяжелые ядра не могли синтезироваться з таких процессах, за что и получили название "обойденные". Главное препятствие для образования /3-стабильного обойденного ядра (A, Z + 2) в цепочке последовательных /3~-превращешш представляет энергетический порог высотой в (1 -г 3)Мзв для р-
перехода {A.Z) -—> (A,Z + 1), поскольку праматеринское ядро {A,Z) также ^-стабильно. Поэтому актульным в плане решения проблемы происхождения обойденных изотопов является изучение действенности механизма столкновительного /2-распада и альтернативных механизмов: /3-распада из возбужденного состояния и индуцированного электромагнитным излучением /?-распада праматеринского ядра, способных преодолеть указанный барьер.
Цель диссертации
Основної! целью настоящей диссертации является построение последовательной теории процесса столкновительного (3-распада и решение проблемы происхождения обойденных изо-
топов. В данной диссертации решаются следующие конкретные задачи:
-
Построение теории столкновительного /?-распада /?-ста-бильных изотопов, стимулированного ядро-ядерными и нейтрон-ядерными столкновениями в области нерелятивистских энергий, и выявление факторов, влияющих на вероятность этого процесса.
-
Исследование применимости дипольного приближения и приближения плоских волн при расчёте сечения процесса столкновительного /?-распада.
-
Разработка модели нуклеосинтеза обойденных изотопов на основе столкновительного, естественного (из возбужденных состояний) и индуцированного электромагнитным излучением /3-распада стабильных ядер на этапе ква-зяравновесного состояния звёздного вещества.
-
Расчет величин относительных распространенностей обойденных ядер с учетом возможных каналов процесса синтеза и исследование зависимости полученных величин от температуры звездной среды.
-
Изучение возможности получения абсолютных значений распространенностей обойденных ядер и уточнение временных границ звездных циклов на различных этапах эво-
. лювдш.
Научная новизна и значимость работы
Теоретически исследуется новое явление - столкновитель-ный /?-распад стабильных изотопов, инициируемый столкновениями с ядерными частицами.
Получены аналитические выражения для дифференциального и полного сечений процесса столкновительного бета-распада в нейтрон-ядерных и кулоновских ядро-ядерных столкновениях и выдвлены факторы, влияющие на величины сечений.
Предложено решение старой проблемы ядерной астрофизики: как осуществлялся синтез обойденных изотопов в звездном веществе? Разработанная модель обосновывает возможность
их образования на квазиравновесных стадиях звездной эволюции и с использованием только естественного (из возбужденного состояния), столкновительного и инициированного поглощением теплового электромагнитного излучения /?-распада (3-стабильных изотопов. Предложенная модель впервые позволила получить величины не только относительных, но и достаточно близких к экспериментальным абсолютных распространен-ностей обойденных ядер.
Тема диссертации входит в план научно-исследовательских работ Воронежского госуниверситета (номер гос. регистрации - 01.9.60001457), а также в тематику следующих грантов:
Российского фонда фундаментальных исследований №95-02-05674 "Исследование столкновительного 3-распада протона и стабильных ядер" и №98-02-16085 "Моделирование процесса синтеза обойденных изотопов в звездном веществе на основе нового явления - столкновительного /^-распада стабильных ядер";
Конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования Российской Федерации №97-0-3.1-2 "Новый подход к проблеме происхождения обойденных ядер в звездном веществе на основе столкновительного /3-распада стабильных ядер".
Основные результаты, выносимые на защиту
1. Построена теория процесса столкновительного /?-распада стабильного ядра, инициированного ядро-ядерными куло-новскнми столкновениями.
Расчеты полных сечений этого процесса, выполненные с точными кулоновскими функциями, показали, что в области столкновительных энергий, сравнимых по величине с пороговой энергией' Д, приближение плоских волн дает сильно завышенные результаты. Эти расхождения тем заметнее, чем больше зарядовое число столкновительного партнера.
В случае, когда зарядовое число столкновительного партнера Z' ^> 1, выход продуктов реакции столкновительного
/^-распада, инициированного ядро-ядерными столкновениями, можно считать пренебрежимо малым.
2. С использованием мультппольных разложений по относи
тельной координате оператора перехода и волновых функ
ций непрерывного спектра, получено замкнутое выраже
ние для полного сечения процесса столкновительного /3-
распада, стимулированного нейтрон-ядерными столкно
вениями. Волновая функция относительного движения в
нуклон-ядерной системе находится из уравнения Шредин-
гера с оптическим потенциалом.
Показано, что при нейтрон-ядерных столкновениях величины полных сечений существенно увеличиваются по сравнению с кулоновскимн столкновениями стабильных ядер с протонами тех же энергий (примерно на 7 -г 12 порядков в зависимости от энергии столкновения).
-
Выявлена чувствительность полных сечений процесса столкновительного /3-распада, стимулированного как кулоновскимн ядро-ядерными, так и сильными нейтрон-ядерными столкновениями, к величине Д при малых энергиях относительного движения {. При Єі 3> А, как и следовало ожидать, различие между величинами сечений (для разных Д) становится незначительным.
-
Разработана модель синтеза обойденных ядер в звездном веществе на квазиравновесной стадии эволюции, основанная на явлении столкновительного /?-распада 0-стабильных ядер.
Показано, что она качественно, а в ряде случаев и количественно, способна воспроизвести сильно нерегулярный ход кривой относительной распространенности обойденных ядер, что можно расценивать как косвенное свидетельство в пользу реальности явления столкновительного /?-распада стабильных ядер.
5. Анализ эволюции звезд дает основание предполагать, что
процесс /3-распада праматеринского ядра, индуцирован
ный электромагнитным излучением может быть лидиру-
юшим при синтезе обойденных ядер в звездном веществе на квазиравновесном этапе.
-
Показано, что при определенных условиях заметный вклад в синтез обойденных изотопов может также вносить /3-распад из возбужденного состояния праматеринского ядра.
-
Показано, что на катастрофической стадии эволюции звезд наиболее эффективен в образовании обойденных нуклидов /3-распад, стимулированный нейтрон-ядерными столкновениями.
Практическая ценность работы
Выявлены факторы, влияющие на вероятность столкнови-тсльного /3-распада стабильных ядер, что позволяет решать вопросы планирования экспериментов по исследованию явления.
Предложена модель, решающая старую астрофизическую проблему образования обойденных изотопов в звездах на киа-зиравновесных стадиях их эволюции.
Расчеты абсолютных значений распространенностей обойденных изотопов по предложенной .модели позволяют уточнить временные протяженности отдельных этапов звездной эволюции.
Апробация работы и публикации
Основные результаты исследования опубликованы в журналах «Ядерная физика». «Известия РАН.'Серия физическая» и доложены на следующих конференциях:
«Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра». Международное совещание, Дубна, 20-23 апреля 1993 г.;
«Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра». Международное совещание, С.-Петербург, 27-30 июня 1995 г.;
«Международное совещание по физике ядра»(46 Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра). Москва, 18-21 июня 1996 г.;
«Международное совещание «Свойства ядер, удаленных от долины стабильности;)(47 Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра). Обнинск, 10-13 июня 1997 г.;
«Международное совещание по физике атомного ядра» (48 Совещание по ядерной спектроскопии н структуре атомного ядра). Москва, 16-19 июня 1998 г.;
International Nuclear Physics Conference. Paris, France, 21-28 August 1998.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 107 страниц машинописного текста, включая 2 таблицы и 20 рисунков, а также список цитируемой литературы из 83 наименований.
