Физика экзотических ядер

Ю.Э.Пенионжкевич
Московский инженерно-физический институт

Опубликовано в Соросовском образовательном журнале , N 1, 1995 г. Содержание

---

Содержание

• Получение экзотических ядер
• Легчайшие экзотические ядра
• Пучки ускоренных экзотических ядер
• Сверхтяжелые ядра
• Литература

---

Получение экзотических ядер

   Фундаментальная проблема ядерной физики - получение и изучение свойств ядер, находящихся в экстремальном состоянии - экзотических ядер. Это ядра, имеющие большой угловой момент ("бешено" вращающиеся ядра), высокую энергию возбуждения ("горячие" ядра), сильнодеформированные ядра (супер- и гипердеформация, ядра с необычной конфигурацией), ядра с аномально высоким числом нейтронов или протонов (нейтроноизбыточные и протоноизбыточные ядра), сверхтяж лые ядра с числом протонов Z > 110. Изучение свойств ядерной материи в экстремальных состояниях дает информацию о свойствах микромира и позволяет моделировать различные процессы, происходящие во Вселенной. На рис.1 схематично показаны состояния ядерной материи. Первое состояние - симметричная ядерная материя (1). Оно определяется свойствами стабильных ядер - их энергией (Е), плотностью распределения нейтронов (N) и протонов (Z), массой (m) и др. Второе состояние - это чисто нейтронная материя, аналогом которой могут быть нейтронные звезды. Оно достигается увеличением нейтронного избытка в ядрах, которые искусственно синтезируются в лабораторных условиях на мощных ускорителях. И наконец материя, соответствующая состоянию вещества в сверхновых космических образованиях, характеризующаяся черезвычайно высокой плотностью (~10¹² г/см3) и температурой (~10⁹ градуса). Это состояние материи также моделируется искусственно в ядерных реакциях с ускоренными до высоких энергий ядрами (несколько гига-электронвольт на нуклон).
    Таким образом, синтезируя и изучая экзотические состояния ядер, мы продвигаемся в понимании не только фундаментальных свойств самого ядра, но и окружающей нас Вселенной.
    Однако искуственный синтез экзотических ядер - сложная задача, требующая нетрадиционных методов решения. Для этого используются ускорители тяжелых ионов с энергиями от десятков мегаэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт. Для того чтобы началась ядерная реакция, энергия ускоренного ядра должна превышать кулоновскую энергию отталкивания двух положительно заряженных ядер, которая обычно составляет несколько десятков мегаэлектронвольт. При энергиях выше кулоновского барьера возможны различные каналы реакции, вероятность которых зависит от энергии ядра-снаряда, от свойств самих взаимодействующих ядер, а также от расстояния, на котором сталкиваются два ядра (радиус взаимодействия). На рис.2 схематически представлены различные процессы, происходящие с двумя сталкивающимися ядрами, в зависимости от радиуса взаимодействия (центральные столкновения - радиус взаимодействия минимальный и периферические столкновения - радиус взаимодействия равен или больше суммы радиусов двух взаимодействующих ядер).

    При лобовых столкновениях с энергиями ниже порога фрагментации двух ядер (~30 МэВ/нуклон), когда происходит полный развал, фрагментация ядер частицы и мишени, в основном протекают реакции полного слияния ядер мишени и бомбардирующего иона с образованием нового составного ядра, имеющего заряд и массу, близкую к сумме зарядов и масс двух взаимодействующих ядер. Это новое составное ядро имеет очень высокую температуру, так как вся кинетическая энергия бомбардирующей частицы переходит во внутреннюю энергию возбуждения нового ядра, и большой угловой момент, то есть большую скорость вращения. В таком состоянии это экзотическое ядро существует всего лишь 10^-16 секунды и затем переходит в менее экзотическое состояние, "остывая" и уменьшая скорость вращения. Релаксация может происходить по-разному. Тепловая энергия кипящего ядра сбрасывается в основном из-за испарения нейтронов и заряженных частиц (по аналогии с горячей водяной каплей), а энергия вращения благодаря испусканию гамма-квантов. После этого ядро переходит в основное состояние, уменьшая массу на число испарившихся нейтронов, которое может достигать значительной величины (до 18-22 нейтронов).
    Таким образом, масса конечного ядра может быть меньше начального составного ядра на 18-22 единицы, то есть возникает новое нейтронодефицитное экзотическое ядро, расположенное на границе ядерной стабильности. Это один из способов получения экзотических ядер. Хотя горячее начальное составное ядро и живет 10^-16 секунды, испаряющиеся из него нуклоны сообщают экспериментаторам информацию о состоянии этого ядра - его температуре (ядерный термометр), угловом моменте, плотности нуклонов в этом ядре. Следовательно, измеряя характеристики испущенных из составного ядра нуклонов, можно также делать выводы о свойствах ядерной материи в этом экзотическом ядре, имеющем высокую температуру.
    В ядро, как и в любое другое вещество, нельзя закачать любую энергию. При определенном ее значении наступает фазовый переход: твердое тело - жидкость - газ, а при некоторой критической температуре ядро превращается в плазму - четвертое состояние вещества. В космических масштабах это приводит к взрыву звезд. В ядрах к этому состоянию пытаются приблизиться, используя ускорители тяжелых ионов высоких энергий. Вопрос о значении максимальной критической температуры ядра является одним из фундаментальных вопросов ядерной физики.
    Кроме реакций слияния, при большом радиусе взаимодействия двух ядер могут протекать и другие процессы, например реакции передачи нуклонов, развалы бомбардирующего ядра с захватом его части ядром мишени. С увеличением энергии бомбардирующего ядра при ее определенном пороговом значении (~30 МэВ/нуклон) ядра начинают фрагментировать, то есть раскалываться на множество более легких ядер в широком диапазоне масс, зарядов и температур.
    В этом случае основной задачей экспериментаторов становится выделение ядер в определенном состоянии на фоне во много раз большего числа других ядер. Для этого используются различные прецизионные детекторы частиц, позволяющие определять с высокой точностью заряд, массу, импульс, координаты (точки возникновения ядра), а также его температуру, угловой момент и время жизни, которое часто достигает 10^-20-10^-21 секунды. В таких детекторах используется измерение степени ионизации вещества детектора. Степень ионизации зависит от массы, заряда и энергии ядра, проходящего через детектор. Из отдельных детекторов создают сложные спектрометры, состоящие из нескольких сотен детекторов, расположенных вокруг мишени и перекрывающих практически все углы (4-геометрия).

    Оказалось, что в реакциях фрагментации ядер в больших количествах могут образовываться как сильно нейтроноизбыточные, так и сильно нейтронодефицитные ядра. Избыток и дефицит нейтронов в конечных ядрах зависит от соотношения нейтронов и протонов в бомбардирующем ядре. В совместных экспериментах, проведенных учеными из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Института ядерной физики во Франции, был использован пучок редкого изотопа кальция-48, содержащегося в природе в ничтожных количествах и полученного в российских институтах на специальных электромагнитных разделительных установках. Это самый нейтронообогащенный изотоп (20 протонов и 28 нейтронов), встречающийся в природе. В этих экспериментах было синтезировано более 30 новых нейтроноизбыточных ядер, расположенных у самой границы ядерной стабильности - бор-18, углерод-22, азот-23, кислород-24, фтор-29 и др. На рисунке 3 представлена (N - 2)-карта изотопов. Видно, что для легких элементов границы ядерной стабильности практически достигнуты и за нею начинается море нестабильных ядер, хотя и среди них появляются относительные островки стабильности, которые и пытаются обнаружить физики.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: ядерная физика Публикации со словами: ядерная физика
См. также: 115-й элемент - преддверие "острова стабильности"? Водород 7H Теоретическая группа астрофизики, ядерной физики и физики частиц Базельского Университета (The Theoretical Astro-, Nuclear- and Particle Physics Group, University of Basel)