Структура ядер 1f-2p оболочки

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Метод оценки данных реакций однонуклонной передачи.
1.1. Реакции срыва и подхвата нуклонов как средство изучения ядерных состояний.
1.2. Основные источники систематических ошибок в данных реакций однонуклонной передачи.
1.2.1. Ошибки в нормировке спектроскопических сил.
1.2.2. Ошибки в определении полного момента у переданного нуклона.
1.3. Метод совместного анализа данных экспериментов по срыву и подхвату.
1.3.1. Модельно-независимая нормировка спектроскопических сил ядерных уровнен, полученных в реакциях
срыва и подхвата нуклонов.
1.3.2. Общая структура компьютерной реализации метода совместного анализа данных.
1.3.3. Применение метода и задачи его дальнейшего развития.
1.4. Использование баз данных для получения наиболее полной экспериментальной и оцененной информации.
Глава 2. Развитие программной реализации метода совместного анализа данных реакций срыва и подхвата.
2.1. Ключевые особенности модернизации компьютерного обеспечения метода совместного анализа данных.
2.2. Работа нового программного комплекса.
2.2.1. Подготовка файлов для программы автоматического перебора всех возможных значений у - CaIcNuclShelIs.exe.
2.2.2. Нормировка спектроскопических сил программой CalcNuclShells.exe.
2.23. Обобщение результатов и графическое отображение полученных решений.
2.3. Проверка на физический смысл полученных решений.
/-
5
9
9
12
15
20
22
22
29
31
33
36
36
39
41
45
47
49
Глава 3. Новые данные об оболочечной структуре ядер начала и
середины 1 Г-2р оболочки. 50
3.1. Оболочечная структура ядер с 7=28 60Ні, 62Иі,64N і). 52
3.1.1. Нейтронная структура изотопов №. 52
3.1.3.1. Параметры нейтронных подоболочек 62№. 52
3.1.1.2. Анализ данных реакций срыва и подхвата нейтронов
на ядрах 58№, 60№, м№. 58
3.1.1.3. Нейтронные подоболочкн ядер 60*62,64іЧі. 59
3.1.2. Протонная структура изотопов №. 68
3.1.2.1. Анализ данных реакций срыва н подхвата протонов
на ядрах 58№, 60№, 62№, м№. 68
3.1.2.2. Про гонные подоболочкн ядер 58»60»62»64іЧі. 69
3.2. Нейтронная структура ядер с N = 28 і50Ті, 52Сг, 54Ге). 82
3.2.1. Параметры нейтронных подоболочек Ті. 82
3.2.2. Параметры нейтронных подоболочек 52Сг. 83
3.2.3. Параметры нейтронных подоболочек 54Ее. 83
3.2.4. Нейтронные подоболочкн в ядрах с N = 28. 84
3.3 Определение значений энергий протонных подоболочек
49Ні, 50Ні, 52НІ, 54і\і на основе данных по зеркальным ядрам. 87
3.4. Оболочечная структура ядер с Z=30 (>47лі, 667п, ('*7п, 707п). 91
3.4.1. Параметры нуклошіьіх подоболочек 64Тп. 91
3.4.2. Параметры нуклонных подоболочек Zn. 92
3.4.3. Параметры нуклонных подоболочек (*Тп. 92
3.4.4. Параметры нуклонных подоболочек 70Хп. 93
3.4.5. Протонные подоболочкн в ядрах Тп. 94
3.4.6. Нейтронные подоболочкн в ядрах Тлі. 100
Л
Глава 4. Анализ соответствия полученных данных по оболочечной
структуре результатам других работ. 106
4.1. Сравнение полученных данных по протонным подоболочкам
59№, 60N1, 62N і, 64N1 с результатами работы /75/. 106
4.2. Сравнение полученных данных по протонным подоболочкам (,4Zn,662п
с результатами работы [75]. 110
4.3. Сравнение полученных данных с результатами теоретических вычислений. 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
ЛИТЕРАТУРА 120
V
Введение.
Модель оболочек [1-2] является основой современного понимания структуры атомного ядра. В рамках этой модели важное значение имеет волновая функция основного состояния ядра, которая может быть представлена в терминах чисел нуклонов, заселяющих отдельные подоболочки. Такие волновые функции вместе с энергетическими положениями состояний одночастичного гамильтониана ядра несут прямую информацию об оболочечной структуре ядра. Полученная экспериментально информация такого типа позволяет провести эффективную проверку предсказаний различных теоретических моделей.
Надежные данные по одночастичной структуре основных состояний ядер в настоящее время могут' быть получены, прежде всего, в реакциях однонуклонной передачи, т.е. в реакциях срыва и подхвата нуклонов. Однако при извлечении данных из результатов экспериментов этого типа, как правило, возникают разного рода систематические ошибки, снижающие ценность и информативность данных.
Анализ источников систематических ошибок в данных срыва и подхвата проведен в [3-5]. В этих же работах предложен математический метод совместного анализа данных реакций срыва и подхвата, а также соответствующий комплекс программ для его реализации. В [3-5] с использованием названных средств были получены параметры протонных и нейтронных подоболочек ядер начала Н-2р оболочки - Тц Сг, Ре. В последующих работах подобные результаты получены для других изотопов - Са, N1, Бг, 7г, Бп. По мере продвижения в область середины Н-2р оболочки (нейтронные подоболочки ядер Сг, Ре, N1) стал ясен сложный характер оболочечной структуры исследуемых ядер. В них заполняемая подоболочка расположена очень близко к соседним подоболочкам и происходит интенсивное смешивание конфигураций. Задача разделения конфигураций приводит к необходимости решать более сложные задачи по анализу величин полного переданного момента Кроме того, более сложная исследуемая структура потребовала увеличения эффективности работы программного комплекса. Для проведения дальнейших исследований с учетом новых требований насущной задачей стала модернизация имеющегося комплекса программ. Актуальность работы определяется необходимостью изучения структуры атомных ядер на основе наиболее точных и достоверных данных о параметрах структуры.
Целью настоящей работы являлось получение количественных характеристик структуры ядер (заселенностей и энергетических положений подоболочек) середины 1 Г-2р оболочки и нахождение закономерностей заполнения нуклонных подоболочек в указанных ядрах.
-5-
В диссертации решались следующие основные задачи:
1. создание нового программного комплекса для реализации метода совместного анализа данных срыва и подхвата на основе модернизации предыдущих программ расчета;
2. определение заселенностей и энергетических положений протонных и нейтронных подоболочек изотопов №, Zn, нейтронных подоболочек 50 П, 52Сг, 54Рс; нахождение также других параметров, характеризующих структуру ядер - энергий Ферми, параметров щели, фрагментационных ширин распределения спектроскопических сил;
3. установление закономерностей заполнения нуклонных подоболочек в указанных ядрах, их связи с наблюдаемыми свойствами ядер, сравнение полученных данных с имеющимися результатами.
На основе проведенного исследования, которое включало в себя анализ данных по
энергиям, спектроскопическим силам, переданным угловым моментам, полученных в
экспериментах по изучению разных реакций однонуклонной передачи, и данных по
спинам-четностям состояний в общей сложности для 38 ядер с массовыми числами 49 < А
< 71, получены следующие результаты. Найдены заселенности и энергетические
положения подоболочек протонных подоболочек ядер 60* «•м№,б4, 66,682п и нейтронных л 50т• 52/-. 54т- 58. 60. 62, 64хТ- 64, 66, 68, 70«7 64, 66 68, 70^
подоболочек ядер II, Сг, ге, ’ ' ’ N1, * ’ Ъъ, причем для ядер ’ ’ • 2п параметры нейтронных, а для 682п параметры протонных подоболочек получены впервые. Установлен характер и динамика заполнения подоболочек в названных ядрах, исследованы зависимости одночастичных энергии от числа нуклонов, причем для изотопов Zn - впервые. Обнаружено и количественно описано явление вырождения нейтронных подоболочек 2/?з/2, 1/5/2» 2рт в ядрах 58, 60, 62, 64№. Показана связь особенностей одночастичной структуры ядер N1, Хп и имеющихся данных об энергиях первых возбужденных состояний Т и параметрах деформации, которая объясняет аномалию в систематиках этих данных.
Выполненные исследования расширяют и уточняют современные представления об одночастичной структуре ядер и делают возможной эффективную проверку современных теоретических моделей, основанных на таких представлениях. Методические разработки, сделанные в процессе выполнения работ, представляют самостоятельный интерес, и область их применения может быть расширена. В частности, новый программный комплекс может быть применен для исследования структуры иных ядер.
Основные результаты диссертации докладывались и были представлены в трудах 57-й (2007, г. Воронеж), 58-й (2008, г. Москва), 59-й (2009, г. Чебоксары) Международных конференциях по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра.
-6-
По теме диссертации опубликовано 4 научные статьи, выпущен 1 препринт.
Диссертация состоит из Введения, четырех ГЛАВ, ЗАКЛЮЧЕНИЯ, списка цитированной ЛИТЕРАТУРЫ.
Глава 1 посвящена описанию физики ядерных реакций срыва и подхвата нуклонов, особенностей извлечения физических величин из данных реакций, выяснению факторов, приводящих к неопределенностям в экспериментальных данных. В ней изложен метод совместного анализа данных, полученных в экспериментах по нуклонному срыву и подхват}' [3-5], в основе которого лежит модельно-независимая перенормировка спектроскопических данных с использованием правил сумм. Метод позволяет исключить многие систематические ошибки в данных такого рода и получать надежные данные о параметрах подоболочек, прежде всего — энергии и заселенности. В этой главе также приводятся сведения о базах ядерных данных, использованных в ходе исследования ядерной структуры в настоящей работе.
В Главе 2 представлено подробное описание новой программной реализации метода совместного анализа данных экспериментов по изучению реакций срыва и подхвата [6], сделанной автором настоящей работы, которая представляет собой результат модернизации и дальнейшего развития программного алгоритма метода, разработанного ранее [3-5]. Модернизация основывается на автоматизации всех процессов расчета и на предоставлении исследователю возможности гибкого управления и контроля над всеми этапами вычислений, что позволило повысить скорость и точность расчетов. Приводится алгоритм и последовательность операций обработки при использовании данного программного комплекса.
Глава 3 посвящена описанию результатов исследований протонных оболочек ядер середины Н-2р оболочки на основании данных экспериментов срыва, подхвата нуклонов, а также данных различных экспериментов о спинах и четностях ядер, полученных в процессе выполнения диссертационной работы с помощью описанного метода совместного анализа данных. С использованием новой программной реализации метода получены заселенности и энергии протонных и нейтронных подоболочек ядер 58, 60, 62, 641\Ч, б4, 66, б8, 707п, нейтронных подоболочек 50#П, 52Сг, 54Ре. Приведены результаты расчетов энергий протонных подоболочек изотопов 48,50,52, 54№ на основе формул, связывающих параметры зеркальных ядер. Для изотопов 58, 60, б2,64Ы1 получены энергии Ферми и значения щелевых параметров поверхности Ферми нейтронных и протонных состояний и фрагментационные ширины протонных состояний. Проведен анализ полученных данных, найдены особенности заполнения и взаимного расположения нейтронных и протонных подоболочек указанных ядер, показана их связь с другими наблюдаемыми свойствами: энергиями
-7-
возбужденных состояний ядер, параметрами деформации, спинами и четностями основных состояний. Особое внимание уделено сравнению полученных параметров параметрам классической оболочечной модели, под которой в данной работе понимается модель с последовательным заполнением низших состояний. Для изотопов 64, 66, 68, 702п параметры нейтронных, а для изотопа 6^п параметры протонных подоболочек получены впервые.
В Главе 4 проводится сравнение полученных данных с результатами других экспериментальных и теоретических работ.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ представлены основные результаты и выводы диссертации.
Диссертация включает в себя 25 рисунков, 18 таблиц и список цитированной литературы из 154 работ, общий объем диссертации составляет 132 страницы.
Основные результаты, полученные в настоящей работе, опубликованы в работах [6, 66, 152, 153, 154].
-8-
Глава 1. Метод оценки данных реакций однонуклонной передачи.
1.1. Реакции срыва и подхвата нуклонов как средство изучения ядерных
состояний.
Одним из важных инструментов исследования свойств и структуры атомных ядер являются ядерные реакции. В настоящее время ядерные реакции принято разделять на два класса: а) процессы, идущие через составное ядро, в которых энергия и импульс налетающей частицы распределяются но многим степеням свободы ядра, и б) прямые реакции, отличающиеся преимущественной передачей энергии и импульса одному нуклону или сравнительно малочисленной группе нуклонов (дейтрону, тритону, а-часгице и т. п.).
К процессам второго типа относятся реакции срыва и подхвата нуклона, которые являются надежным средством для получения данных об энергиях и спектроскопических ([»акторах состояний ядра - продукта реакции. В ходе таких реакций нуклон или легкое атомное ядро (р, 3Пе, с1, I) ускоряются в экспериментальной установке и пролетают вблизи исследуемого, более массивного, ядра с массовым числом А. Если ядро А срывает нуклон с пролегающей частицы и присоединяет его к себе (рис. 1), образуя ядро с массовым числом А+1, говорят об осуществлении реакции срыва. Если же пролетающая частица подхватывает нуклон - отнимает его у исследуемого ядра А, превращая его в ядро с массовым числом А-1, и, преобразуясь в частицу большей массы, уносит этот нуклон (рис. 2), говорят об осуществлении реакции подхвата. Обе таких реакции называют также реакциями однонуклонной передачи, так как в них налетающая частица и ядро-мишень обмениваются одним нуклоном.
Основными реакциями подхвата являются реакции (р,с1), (с!,3Не), (1,а), (3Не,а), (сЦ), а срыва - реакции (<1,р), (3Не,с1), (а,3Не), (Ы), (с!,п). Реакции однонуклонной передачи обычно идут вблизи поверхности ядра, т. с. на валентной и соседних с ней подоболочках, иногда (при больших энергиях возбуждения) затрагивая болсс глубокие или более высокорасположенные оболочки. Характерный диапазон энергий налетающих частиц в данных реакциях - 15 - 70 МэВ.
СРЫВ
}
П
®
Р
*
И
*(Ь-
•:®)
ядро А + 1
Рис. 1. Схема реакции (<!,р) срыва нейтрона.
П О Д X
• дырка
А - 1
©
Рис. 2. Схема реакции (р, сі) подхвата нейтрона.
ВАТ
дырка
- 10-
Реакцию срыва удобно использовать для изучения состояний конечного ядра, которые связаны с изменением состояния отдельного нуклона. Например, в реакции срыва (с!,р) захваченный ядром нейтрон занимает один из свободных энергетических уровней. Зная характеристики налетающего дейтрона и измеряя характеристики образовавшегося протона, можно определить характеристики переданного в реакции нейтрона - энергию Е, величину орбитального момента /, в случае использования поляризованных частиц -величину полного момента ]. Из этих величин можно получить информацию о заселяемой нейтронной подоболочке начального ядра - ее энергии, орбитальном (в случае поляризованных частиц - также и полном) моменте количества движения. Орбитальный момент / определяется из углового распределения вылетающих частиц. Кроме того, в таких реакциях измеряется важнейшая характеристика - спектроскопический фактор, или, что с точностью до коэффициентов одно и то же, спектроскопическая сила, образовавшегося состояния конечного ядра. Величина спектроскопического фактора позволяет судить о степени одночастичности состояний.
Наиболее распространенным и хорошо развитым методом получения данных реакций по срыву и подхвату нуклонов является Борцовское приближение искаженных волн (0\У13Л). В его рамках сечение реакции факторизуется, что позволяет выделить множители, характеризующие внутреннюю структуру ядра:
<1а/<1£2, (/^, в) = N Ба ' (1)
где (ЬхувлС#) “ рассчитываемое теоретическое сечение, зависящее от вида налетающей и рассеянной частиц через параметры оптического потенциала, N - численный множитель, описывающий взаимодействие налетающей частицы и передаваемого нуклона и пропорциональный квадрату соответствующего интеграла перекрытия волновых функций, также рассчитываемый теоретически, Б',(/,/) - спектроскопическая сила конечного состояния конечного ядра реакции, /,/ - орбитальный и полный моменты переданного нуклона.
Спектроскопические силы Б',(/© уровней / являются наиболее ценной информацией, получаемой из реакций однонуклонной передачи. Величина спектроскопической силы, как сказано, позволяет судить о степени одночастичности состояний, она соотвегствуог относительной доли одночастичной волновой функции, приходящейся на данное
состояние ядра. Сумма спектроскопических сил подхвата ££’7*(/,у) равна числу частиц
/
-11 -