Fizika ekzoticheskih yader

Yu.E.Penionzhkevich
Moskovskii inzhenerno-fizicheskii institut

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

---

Puchki uskorennyh ekzoticheskih yader

    Dlya issledovaniya svoistv ekzoticheskih yader vo mnogih sluchayah nuzhny ih puchki, uskorennye do energii vyshe kulonovskogo bar'era vzaimodeistviya. Eto neobhodimo dlya togo, chtoby mogla protekat' sootvetstvuyushaya yadernaya reakciya mezhdu ekzoticheskim yadrom i yadrom misheni. Togda, issleduya produkty takih reakcii, mozhno delat' vyvody o svoistvah samih vzaimodeistvuyushih yader. Problema ispol'zovaniya puchkov ekzoticheskih yader dlya fizicheskih issledovanii svoditsya, v osnovnom, k trem zadacham: poluchenie puchkov ekzoticheskih yader nuzhnoi intensivnosti, uskorenie ih do neobhodimoi energii i registraciya produktov yadernyh reakcii.
    Pri bombardirovke yadrami, uskorennymi do energii bolee chem 30 MeV na nuklon (vyshe poroga fragmentacii yadra), obrazuetsya mnogo novyh yader, letyashih pod perednimi uglami (v tom zhe napravlenii, chto i pervonachal'nye bombardiruyushie yadra) i imeyushie energii, blizkie k energii bombardiruyushih yader. Takim obrazom, otpadaet problema posleduyushego uskoreniya etih yader, esli tol'ko nauchit'sya kakim-to sposobom vydelyat' iz vsego potoka obrazuyushihsya yader monoizotopnyi puchok. Dlya etogo nado proizvesti selekciyu produktov yadernyh reakcii po masse (A) i zaryadu (Z) i sformirovat' iz vydelennyh produktov puchok s neobhodimymi dlya ego dal'neishego issledovaniya parametrami (diametrom, rashodimost'yu, energiei i dr.).
    Eta problema byla reshena s ispol'zovaniem magnitnyh fragment-separatorov, v kotoryh neskol'ko posledovatel'nyh magnitnyh sistem pozvolyayut provesti mnogokratnuyu selekciyu produktov s odinakovym sootnosheniem impul'sa (R) k zaryadu (q). V rezul'tate ispol'zovaniya fragment-separatora, raspolozhennogo posle proizvodyashei ekzoticheskie yadra misheni, poyavilas' vozmozhnost' polucheniya puchkov korotkozhivushih yader, raspolozhennyh u granic stabil'nosti s vremenami zhizni do neskol'kih soten mikrosekund (10^-6 sekundy). Sleduyushaya zadacha, stoyashaya pered eksperimentatorami posle polucheniya puchkov ekzoticheskih yader, - ispol'zovanie ih dlya izucheniya svoistv etih yader. Intensivnost' puchka takih yader otnositel'no mala. Ona na 5-6 poryadkov men'she intensivnosti pervichnogo puchka yader, ih proizvodyashego. V luchshem sluchae eta intensivnost' sostavlyaet 10⁶ yader v sekundu. Poetomu dlya eksperimenta nuzhny ochen' chuvstvitel'nye metodiki, kotorye pozvolyali by issledovat' takie redkie processy. Raspolagaya sootvetstvuyushimi spektrometrami, fiziki mogut ispol'zovat' uzhe vtorichnye reakcii vzaimodeistviya ekzoticheskih yader s yadrami misheni. Kakie zhe dannye udaetsya izvlech' iz takih eksperimentov? V pervuyu ochered' eto informaciya o novyh vidah radioaktivnogo raspada. Kak izvestno, vse radioaktivnye yadra ispuskayut elektrony
(^--raspad), pozitrony (⁺-raspad), protony, -chasticy (-raspad) ili gamma-luchi (-raspad), perehodya v osnovnoe neradioaktivnoe sostoyanie. Issledovaniya puchkov ekzoticheskih yader, sil'no udalennyh ot linii stabil'nosti, pozvolilo obnaruzhit' novye vidy radioaktivnogo raspada - klasternyi raspad, soprovozhdayushiisya vyletom tyazhelyh chastic, takih, kak uglerod, magnii, a takzhe bolee tyazhelyh fragmentov. U yader, sil'no obogashennyh neitronami, takih, kak ¹¹Li, ¹⁷B, nablyudaetsya raspad s vyletom 2, 3 i dazhe 4-h neitronov. Takie ekzoticheskie raspady issleduyut v poiskah sistem iz svyazannyh 2, 3 i 4-h neitronov. Dlya protonoobogashennyh yader nablyudaetsya raspad s vyletom neskol'kih protonov i bolee tyazhelyh zaryazhennyh chastic.
    Zadacha issledovaniya svoistv raspada ekzoticheskih yader yavlyaetsya vazhnoi ne tol'ko dlya polucheniya informacii o sostoyaniyah yadernoi materii, no i sluzhit osnovoi dlya sovremennoi yadernoi astrofiziki - nauki, zanimayusheisya modelirovaniem processov, proishodyashih vo Vselennoi s pomosh'yu yadernyh reakcii. Naibol'shii interes dlya yadernoi astrofiziki predstavlyayut processy vydeleniya energii pri obrazovanii i vzryve zvezd, a takzhe obrazovaniya razlichnyh himicheskih elementov (nukleosintez) vo Vselennoi. Obe eti problemy neposredstvenno svyazany s issledovaniyami, osnovannymi na metodah yadernoi fiziki. Dlya modelirovaniya processov obrazovaniya i raspada zvezd izuchayutsya yadernye reakcii: izmeryayutsya veroyatnosti vzaimodeistviya dvuh yader, veroyatnosti raspada obrazuyushihsya pri etom slozhnyh yadernyh sistem, razlichnogo vida izlucheniya, soprovozhdayushie raspady takih sistem. Otpravlyaya na sputnikah v Kosmos special'nye teleskopy, pozvolyayushie napravlenno izmeryat', naprimer, gamma-izluchenie ot kosmicheskih ob'ektov i opredelyat' ego energiyu. Esli izvestno, v kakom yadernom processe generiruetsya gamma-izluchenie s etoi energiei, mozhno opredelit', kakoi process proishodit v zvezde.
    Osnovnuyu rol' v astrofizicheskih processah igrayut termoyadernye reakcii, idushie s zahvatom yadrami protonov, al'fa-chastic ili neitronov. Opredelenie skorosti protekaniya takih reakcii yavlyaetsya slozhnoi eksperimental'noi zadachei. Krome etogo, veroyatnost' takih reakcii zavisit ot temperatury ob'ekta. V processe nevzryvnoi evolyucii zvezdy ee temperatura otnositel'no nizka, i veroyatnost' protekaniya reakcii nevelika. Pri vzryve zvezdy temperatura dostigaet 10⁸-10⁹ K i veroyatnost' reakcii uvelichivaetsya na mnogo poryadkov. Dlya modelirovaniya etih processov neobhodimo imet' shirokii diapazon radioaktivnyh yader, kotorye igrayut osnovnuyu rol' pri vzryve zvezd. V etom sluchae fiziki ispol'zuyut pryamoi metod issledovaniya harakternyh reakcii s puchkami radioaktivnyh (ekzoticheskih) yader, ispol'zuya pri etom mishen' iz vodoroda ili geliya.
    Nepryamoi sposob opredeleniya skorosti reakcii, a takzhe otnositel'nogo soderzhaniya elementov vo Vselennoi sostoit v poluchenii dannyh o svoistvah yader, udalennyh ot linii stabil'nosti. Eti dannye ispol'zuyutsya dlya opisaniya processov medlennogo zahvata neitronov i bystrogo zahvata neitronov. Posledovatel'nyi medlennyi zahvat neitronov yadrami, soprovozhdayushiisya konkuriruyushim pozitronnym
(⁺-raspadom) etih yader, vedet k obrazovaniyu razlichnyh izotopov v oblasti neitronodeficitnyh yader (sm. ris.3) i opredelyaet ih soderzhanie v prirode. Bystryi zhe process zahvata neitronov otvetstven za obrazovanie neitronoizbytochnyh izotopov. Skorost' zahvata neitronov takzhe zavisit ot temperatury ob'ekta. Znaya, naprimer, soderzhanie elementov v nashei galaktike, a takzhe poluchiv eksperimental'nuyu informaciyu o vremeni zhizni teh ili inyh izotopov, vhodyashih v cepochku processa, mozhno dostatochno tochno opredelit' temperaturu ob'ekta, yavivshegosya istochnikom obrazovaniya elementov (temperaturu zvezdy). Takim obrazom, reakcii s puchkami radioaktivnyh (ekzoticheskih) yader dayut vazhnuyu informaciyu o processah, proishodyashih vo Vselennoi.
    Fiziki nauchilis' takzhe ispol'zovat' neobychnye svoistva ekzoticheskih yader dlya polucheniya v svoyu ochered' ne menee ekzoticheskih yadernyh sistem. V pervoi glave uzhe govorilos' ob interese k sintezu superneitronoizbytochnyh yader legchaishih elementov, takih, kak vodorod-6, gelii-10 i dr. Reakcii s puchkami stabil'nyh yader dlya etih celei uzhe okazyvayutsya slaboeffektivnymi iz-za nizkoi veroyatnosti obrazovaniya v nih etih ekzoticheskih yader. S poyavleniem puchkov radioaktivnyh yader vozmozhnosti issledovanii v etoi oblasti sushestvenno rasshirilis'. Tak, ispol'zuya puchok yader litiya-11, yaponskim issledovatelyam udalos' poluchit' informaciyu o stabil'nosti yadra geliya-10, kotoroe, kak uzhe otmechalos' v pervoi glave, yavlyaetsya ne do svyazannym lish' na odin megaelektronvol't, to est' yavlyaetsya bolee stabil'nym, chem ozhidalos' iz teoreticheskih raschetov. Seichas v reakciyah s radioaktivnymi puchkami delaetsya popytka polucheniya bolee tyazhelyh izotopov vodoroda-7, 8, geliya-12 i dr.
    Neozhidannyi rezul'tat byl poluchen pri izuchenii reakcii sliyaniya dvuh yader, odno iz kotoryh yavlyaetsya ekzoticheskim, naprimer ⁶Ne (yadro s neitronnym galo). Kak uzhe otmechalos' v pervoi glave, dlya togo, chtoby proizoshla yadernaya reakciya mezhdu dvumya zaryazhennymi yadrami, ih kineticheskaya energiya dolzhna prevysit' nekotoruyu energiyu, opredelyaemuyu kulonovskoi energiei rastalkivaniya. Velichina etoi energii opredelyaetsya dostatochno tochno, i ona zavisit ot zaryadov dvuh vzaimodeistvuyushih yader - chem bol'she ih zaryady, tem bol'shuyu energiyu nado soobshit' etim yadram dlya togo, chtoby nachalas' yadernaya reakciya. Etim opredelyaetsya minimal'naya energiya uskoritelei, na kotoryh i uskoryayutsya zaryazhennye yadra. Odnako eksperimenty, provedennye v Dubne s puchkami nekotoryh ekzoticheskih yader, pokazali, chto energeticheskii porog ih vzaimodeistviya sushestvenno men'she kulonovskogo bar'era. Eto yavlenie eshe do konca ne ponyato; vidimo, bol'shuyu rol' igrayut strukturnye osobennosti ekzoticheskih yader.

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)