Fizika ekzoticheskih yader

Yu.E.Penionzhkevich
Moskovskii inzhenerno-fizicheskii institut

Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale , N 1, 1995 g. Soderzhanie

---

Soderzhanie

• Poluchenie ekzoticheskih yader
• Legchaishie ekzoticheskie yadra
• Puchki uskorennyh ekzoticheskih yader
• Sverhtyazhelye yadra
• Literatura

---

Poluchenie ekzoticheskih yader

   Fundamental'naya problema yadernoi fiziki - poluchenie i izuchenie svoistv yader, nahodyashihsya v ekstremal'nom sostoyanii - ekzoticheskih yader. Eto yadra, imeyushie bol'shoi uglovoi moment ("besheno" vrashayushiesya yadra), vysokuyu energiyu vozbuzhdeniya ("goryachie" yadra), sil'nodeformirovannye yadra (super- i giperdeformaciya, yadra s neobychnoi konfiguraciei), yadra s anomal'no vysokim chislom neitronov ili protonov (neitronoizbytochnye i protonoizbytochnye yadra), sverhtyazh lye yadra s chislom protonov Z > 110. Izuchenie svoistv yadernoi materii v ekstremal'nyh sostoyaniyah daet informaciyu o svoistvah mikromira i pozvolyaet modelirovat' razlichnye processy, proishodyashie vo Vselennoi. Na ris.1 shematichno pokazany sostoyaniya yadernoi materii. Pervoe sostoyanie - simmetrichnaya yadernaya materiya (1). Ono opredelyaetsya svoistvami stabil'nyh yader - ih energiei (E), plotnost'yu raspredeleniya neitronov (N) i protonov (Z), massoi (m) i dr. Vtoroe sostoyanie - eto chisto neitronnaya materiya, analogom kotoroi mogut byt' neitronnye zvezdy. Ono dostigaetsya uvelicheniem neitronnogo izbytka v yadrah, kotorye iskusstvenno sinteziruyutsya v laboratornyh usloviyah na moshnyh uskoritelyah. I nakonec materiya, sootvetstvuyushaya sostoyaniyu veshestva v sverhnovyh kosmicheskih obrazovaniyah, harakterizuyushayasya cherezvychaino vysokoi plotnost'yu (~10¹² g/sm3) i temperaturoi (~10⁹ gradusa). Eto sostoyanie materii takzhe modeliruetsya iskusstvenno v yadernyh reakciyah s uskorennymi do vysokih energii yadrami (neskol'ko giga-elektronvol't na nuklon).
    Takim obrazom, sinteziruya i izuchaya ekzoticheskie sostoyaniya yader, my prodvigaemsya v ponimanii ne tol'ko fundamental'nyh svoistv samogo yadra, no i okruzhayushei nas Vselennoi.
    Odnako iskustvennyi sintez ekzoticheskih yader - slozhnaya zadacha, trebuyushaya netradicionnyh metodov resheniya. Dlya etogo ispol'zuyutsya uskoriteli tyazhelyh ionov s energiyami ot desyatkov megaelektronvol't do soten gigaelektronvol't. Dlya togo chtoby nachalas' yadernaya reakciya, energiya uskorennogo yadra dolzhna prevyshat' kulonovskuyu energiyu ottalkivaniya dvuh polozhitel'no zaryazhennyh yader, kotoraya obychno sostavlyaet neskol'ko desyatkov megaelektronvol't. Pri energiyah vyshe kulonovskogo bar'era vozmozhny razlichnye kanaly reakcii, veroyatnost' kotoryh zavisit ot energii yadra-snaryada, ot svoistv samih vzaimodeistvuyushih yader, a takzhe ot rasstoyaniya, na kotorom stalkivayutsya dva yadra (radius vzaimodeistviya). Na ris.2 shematicheski predstavleny razlichnye processy, proishodyashie s dvumya stalkivayushimisya yadrami, v zavisimosti ot radiusa vzaimodeistviya (central'nye stolknoveniya - radius vzaimodeistviya minimal'nyi i perifericheskie stolknoveniya - radius vzaimodeistviya raven ili bol'she summy radiusov dvuh vzaimodeistvuyushih yader).

    Pri lobovyh stolknoveniyah s energiyami nizhe poroga fragmentacii dvuh yader (~30 MeV/nuklon), kogda proishodit polnyi razval, fragmentaciya yader chasticy i misheni, v osnovnom protekayut reakcii polnogo sliyaniya yader misheni i bombardiruyushego iona s obrazovaniem novogo sostavnogo yadra, imeyushego zaryad i massu, blizkuyu k summe zaryadov i mass dvuh vzaimodeistvuyushih yader. Eto novoe sostavnoe yadro imeet ochen' vysokuyu temperaturu, tak kak vsya kineticheskaya energiya bombardiruyushei chasticy perehodit vo vnutrennyuyu energiyu vozbuzhdeniya novogo yadra, i bol'shoi uglovoi moment, to est' bol'shuyu skorost' vrasheniya. V takom sostoyanii eto ekzoticheskoe yadro sushestvuet vsego lish' 10^-16 sekundy i zatem perehodit v menee ekzoticheskoe sostoyanie, "ostyvaya" i umen'shaya skorost' vrasheniya. Relaksaciya mozhet proishodit' po-raznomu. Teplovaya energiya kipyashego yadra sbrasyvaetsya v osnovnom iz-za ispareniya neitronov i zaryazhennyh chastic (po analogii s goryachei vodyanoi kaplei), a energiya vrasheniya blagodarya ispuskaniyu gamma-kvantov. Posle etogo yadro perehodit v osnovnoe sostoyanie, umen'shaya massu na chislo isparivshihsya neitronov, kotoroe mozhet dostigat' znachitel'noi velichiny (do 18-22 neitronov).
    Takim obrazom, massa konechnogo yadra mozhet byt' men'she nachal'nogo sostavnogo yadra na 18-22 edinicy, to est' voznikaet novoe neitronodeficitnoe ekzoticheskoe yadro, raspolozhennoe na granice yadernoi stabil'nosti. Eto odin iz sposobov polucheniya ekzoticheskih yader. Hotya goryachee nachal'noe sostavnoe yadro i zhivet 10^-16 sekundy, isparyayushiesya iz nego nuklony soobshayut eksperimentatoram informaciyu o sostoyanii etogo yadra - ego temperature (yadernyi termometr), uglovom momente, plotnosti nuklonov v etom yadre. Sledovatel'no, izmeryaya harakteristiki ispushennyh iz sostavnogo yadra nuklonov, mozhno takzhe delat' vyvody o svoistvah yadernoi materii v etom ekzoticheskom yadre, imeyushem vysokuyu temperaturu.
    V yadro, kak i v lyuboe drugoe veshestvo, nel'zya zakachat' lyubuyu energiyu. Pri opredelennom ee znachenii nastupaet fazovyi perehod: tverdoe telo - zhidkost' - gaz, a pri nekotoroi kriticheskoi temperature yadro prevrashaetsya v plazmu - chetvertoe sostoyanie veshestva. V kosmicheskih masshtabah eto privodit k vzryvu zvezd. V yadrah k etomu sostoyaniyu pytayutsya priblizit'sya, ispol'zuya uskoriteli tyazhelyh ionov vysokih energii. Vopros o znachenii maksimal'noi kriticheskoi temperatury yadra yavlyaetsya odnim iz fundamental'nyh voprosov yadernoi fiziki.
    Krome reakcii sliyaniya, pri bol'shom radiuse vzaimodeistviya dvuh yader mogut protekat' i drugie processy, naprimer reakcii peredachi nuklonov, razvaly bombardiruyushego yadra s zahvatom ego chasti yadrom misheni. S uvelicheniem energii bombardiruyushego yadra pri ee opredelennom porogovom znachenii (~30 MeV/nuklon) yadra nachinayut fragmentirovat', to est' raskalyvat'sya na mnozhestvo bolee legkih yader v shirokom diapazone mass, zaryadov i temperatur.
    V etom sluchae osnovnoi zadachei eksperimentatorov stanovitsya vydelenie yader v opredelennom sostoyanii na fone vo mnogo raz bol'shego chisla drugih yader. Dlya etogo ispol'zuyutsya razlichnye precizionnye detektory chastic, pozvolyayushie opredelyat' s vysokoi tochnost'yu zaryad, massu, impul's, koordinaty (tochki vozniknoveniya yadra), a takzhe ego temperaturu, uglovoi moment i vremya zhizni, kotoroe chasto dostigaet 10^-20-10^-21 sekundy. V takih detektorah ispol'zuetsya izmerenie stepeni ionizacii veshestva detektora. Stepen' ionizacii zavisit ot massy, zaryada i energii yadra, prohodyashego cherez detektor. Iz otdel'nyh detektorov sozdayut slozhnye spektrometry, sostoyashie iz neskol'kih soten detektorov, raspolozhennyh vokrug misheni i perekryvayushih prakticheski vse ugly (4-geometriya).

    Okazalos', chto v reakciyah fragmentacii yader v bol'shih kolichestvah mogut obrazovyvat'sya kak sil'no neitronoizbytochnye, tak i sil'no neitronodeficitnye yadra. Izbytok i deficit neitronov v konechnyh yadrah zavisit ot sootnosheniya neitronov i protonov v bombardiruyushem yadre. V sovmestnyh eksperimentah, provedennyh uchenymi iz Laboratorii yadernyh reakcii Ob'edinennogo instituta yadernyh issledovanii v Dubne i Instituta yadernoi fiziki vo Francii, byl ispol'zovan puchok redkogo izotopa kal'ciya-48, soderzhashegosya v prirode v nichtozhnyh kolichestvah i poluchennogo v rossiiskih institutah na special'nyh elektromagnitnyh razdelitel'nyh ustanovkah. Eto samyi neitronoobogashennyi izotop (20 protonov i 28 neitronov), vstrechayushiisya v prirode. V etih eksperimentah bylo sintezirovano bolee 30 novyh neitronoizbytochnyh yader, raspolozhennyh u samoi granicy yadernoi stabil'nosti - bor-18, uglerod-22, azot-23, kislorod-24, ftor-29 i dr. Na risunke 3 predstavlena (N - 2)-karta izotopov. Vidno, chto dlya legkih elementov granicy yadernoi stabil'nosti prakticheski dostignuty i za neyu nachinaetsya more nestabil'nyh yader, hotya i sredi nih poyavlyayutsya otnositel'nye ostrovki stabil'nosti, kotorye i pytayutsya obnaruzhit' fiziki.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: yadernaya fizika Publikacii so slovami: yadernaya fizika
Sm. takzhe: 115-i element - preddverie "ostrova stabil'nosti"? Vodorod 7H Teoreticheskaya gruppa astrofiziki, yadernoi fiziki i fiziki chastic Bazel'skogo Universiteta (The Theoretical Astro-, Nuclear- and Particle Physics Group, University of Basel)