Реакции с тяжелыми ионами предоставляют уникальную возможность получить ядра вблизи границ стабильности и проникнуть в область химических элементов второй сотни. В курсе рассматриваются основы физики тяжелых ионов, а также современные тенденции в исследовании ядерных реакций. Предметом курса является одно из новых направлений ядерной физики — физика тяжелых ионов, занимающаяся исследованием ядерных реакций, переходом одних ядер в другие, синтезом новых ядер. Физика тяжелых ионов позволяет изучать коллективные ядерные процессы, характеризуемые предельно большими изменениями ядерной формы, сильным перераспределением энергии между различными степенями свободы систем. Дана классификация ядерных реакций с тяжелыми ионами и их анализ с точки зрения новых изотопов у границ ядерной стабильности. Рассматриваются возможности современных ускорителей для синтеза ядер с использованием ядерных реакций с тяжелыми ионами. На примерах показана связь исследований в области физики тяжелых ионов с прикладными исследованиями: ядерная медицина, радиационная физика твердого тела. Отдельный модуль курса посвящен вопросам истории образования Вселенной с точки зрения физики элементарных частиц, ядерной физики. Обсуждается проблема нуклеосинтеза и непосредственная связь ядерно-физических экспериментов, с астрофизическими явлениями.
Ядерная экзотика
Loading...
From the course by National Research Nuclear University MEPhI
Физика тяжелых ионов
оценки
Meet the Instructors
Пенионжкевич Юрий ЭрастовичДоктор физико-математических наук
Кафедра экспериментальных методов ядерной физики
Таким образом мы приблизились
к теме "ядерная экзотика",
т. е. это основная тема,
основная проблема
использования ядерных реакций
для получения ядер в необычном состоянии.
Вот условно здесь представлена
трехмерная зависимость свойств ядра.
Это вот температура, изоспин
по горизонтальной оси, т. е.
то, что означает соотношение
нейтронов и протонов в ядрах.
И наконец, плотность ядерной материи —
то, что получается в результате взаимодействия
двух ядер — ядро-ядерное взаимодействие.
Значит, вот мы видим, что
мы можем получать ядра с высоким изоспином,
мы можем получать ядра с высокой плотностью,
мы можем получать ядра с высокой температурой.
При этом у нас могут наблюдаться
так называемые фазовые переходы,
когда ядра с высокой температурой
и с высокой плотностью из газового состояния
могут перейти в смешанную фазу
газ-жидкость, могут перейти
при очень высоких температурах в горячую жидкость,
и наконец, в ядра с высокой плотностью,
где образуется совершенно другая ядерная материя.
Вот вроде меняя эти три параметра:
увеличивая температуру, увеличивая изоспин,
в результате ядро-ядерных взаимодействий,
в результате реакций, о которых мы говорили раньше,
мы можем получать вот такие состояния ядер.
Я бы хотел остановиться здесь
только на состоянии ядер, связанных
с большим соотношением протонов и нейтронов,
т. е. вот на эту ось,
которую я назвал зависимостью от изоспина —
соотношение нейтронов и протонов.
Вот чем эта область интересна.
Здесь показана, так называемая
нейтрон-протонная диаграмма, вот на нижнем рисунке.
Красной линией показана ось,
связанная с наличием, с присутствием
стабильных ядер — как правило, ядра,
находящиеся в природе, их, как я говорил,
300–350, этих ядер.
Слева, в сторону оси z,
ядра протонно-обогащенные ядра —
ядра, обогащенные протонами.
Слева — это нейтронно-обогащенные ядра —
ядра, обогащенные нейтронами.
Таким образом, мы видим, что протон-нейтронные
области ядер, они
простираются до нейтронных ядер,
нейтронных звезд — чисто нейтронные звезды.
Поэтому само собой это очень важно
для проблем астрофизики.
С другой стороны это протонно-обогащенные
ядра, которые могут состоять
из большого количества протонов
и малого количества нейтронов.
Возникает вопрос: ну и что из этого?
В результате каких-то реакций,
ядерных реакций мы получаем
какие-то ядра с такими свойствами,
а что это дает?
Вот один из примеров я вам хотел показать.
Например,
вот ядра с большой температурой.
Значит, по оси вертикальной
отложена температура, по горизонтальной —
это некая энергия возбуждения,
она соответствует энергии бомбардирующей частицы.
Слева точки — черные треугольники —
это точки, полученные в нашей группе, в Дубне
в Лаборатории ядерных реакций.
Красные точки — это точки, полученные в ЦЕРНе.
И вот справа вертикальной кривой
соответствуют точки, которые получены
GSI в Германии
на ускорителе в Дармштадте.
Значит, мы увеличиваем энергию
по горизонтальной оси.
В принципе, с увеличение энергии
должна меняться температура ядра,
она должна увеличиваться.
Она действительно увеличивается
до определенного момента,
а потом наступает насыщение.
Мы увеличиваем энергию бомбардирующую,
вносим в ядро высокую энергию,
температура не увеличивается до определенного момента,
когда она вдруг резко возрастает,
и вот идет вертикально вверх.
Очень интересна вещь.
На основе этих зависимостей, этих данных
физики сделали вывод,
что в ядре существуют фазовые переходы
от жидкости к газу.
Значит, также, как жидкость разогревается.
Вот она разогрелась до определенного момента.
Потом она закипает.
Здесь температура постоянная.
А потом получается газ или пар,
и температура резко возрастает.
Вот этот новый эффект,
который был обнаружен в результате экспериментов
при разных энергиях.
И он свидетельствует о том, что действительно
ядро можно описывать
при низких энергиях жидко-капельной моделью.
При высоких энергиях это вот переход
к совсем другим представлениям, к совсем другой физике.
Конечно, интересно продвинуться к еще большим энергиям,
где предсказывается
сушествование кварк-глюонной плазмы.
Ну вот в этом направлении физики высоких энергий работают.
Дальше.
Вот форма ядра.
Опять мы можем в результате ядерной реакции
сообщать ядру или образовывать самые разные формы:
от квадрупольной деформации
до гексапольной деформации. Вы видите
разные формы ядра.
Это динамическая деформация,
которая получается в результате
взаимодействия двух сложных ядер.
Опять может вопрос возникнуть:
ну и что, ну получили вот такое ядро,
которое живет 10 в –18 секунды?
Так вот, оказывается, что мы можем искусственно
в результате ядерных реакций,
как это делается в генной инженерии, где
получают искусственные гены
самой разной конфигурации,
получать ядра самой разной конфигурации:
вот от супердеформации, вы видите
верхний рисунок,
до гипердеформации, до ядер
в виде таких пуговиц, в виде банана.
И оказывается, что при такой сильной деформации
ядро, которое сильно удалено от области
стабильности вблизи границ нуклонной стабильности,
оно более связанное, оно более стабильное,
чем ядра, имеющие сферическую форму.
Вот это совершенно новое представление.
Раньше представляли как физики?
Вот у нас есть магическое ядро,
оно, как правило, сферическое.
И вот сферическое ядро самое стабильное.
Оказалось, да, это так, но вблизи
линии стабильности.
Когда мы уходим от линии стабильности,
переходим к границам стабильности,
эта концепция в корне меняется.
Вот в другом варианте показана N-Z диаграмма
атомных ядер.
Черное — это стабильные ядра,
которые есть в природе.
Зеленые — это искусственно полученные ядра,
которых около 3000.
Наверху — это остров стабильности
сверхтяжелых ядер.
И вот это — линия стабильности —
зависимость Z, т. е. числа протонов
от массового числа ядра —
определяется вот такой зависимостью, такой формулой.
Вот это несколько в другом представлении
протон-нейтронная диаграмма —
карта ядер и границы ядерной стабильности.
Вот здесь написано, что известно
3000 радиоактивных ядер,
а существует всего 10000.
Т. е. еще 5–7 тысяч ядер предстоит открыть,
предстоит получить и изучить свойства.
А теперь тот же вопрос: зачем тратить
столько сил, энергии, чтобы продвинуться
хоть немного к границам стабильности?
Вот этот рисунок объясняет эту ситуацию:
зачем мы хотим продвинуться
к границам стабильности ядер.
Это вот в несколько схематическом представлении
диаграмма та же: Z, N —
число протонов и нейтронов.
Мы берем, начинаем стартовать
с ядра лития — Li-6, Li-7.
Это обычные два стабильных ядра,
которые расположены на линии стабильности,
правда, это легкие ядра.
И мы потихонечку с помощью ядерных реакций
добавляем к ним по одному нейтрончику.
Значит, характеризуются эти стабильные ядра
разницей соотношений квадратичных радиусов
нейтронов и протонов.
Вот для стабильных ядер это примерно
к нулю приближается величина.
Ну вот здесь это где-то 0,1 ферми,
т. е. очень маленькая разница
между распределением нейтронов и протонов в ядре.
Берем, искусственно в результате реакции,
добавляем 1 нейтрончик на литий седьмой,
получаем литий восьмой.
Ну, такое же ядро, стабильное, примерно
разница среднеквадратичных радиусов
близка к нулю.
Добавляем еще один, литий девять получаем.
То же разница не очень большая.
Это стабильное ядро практически.
И разница в распределении нейтронов и протонов —
примерно одинаковые.
Вот когда мы добавляем еще два нейтрона
к этому ядру, а это не так и много,
от лития восьмого, лития девятого
к литию одиннадцатому — два нейтрона,
мы получаем новое
совершенно по своим свойствам,
по своим характеристикам,
новое ядро,
у которого разница ядер,
разница распределения нейтронов и протоннов —
примерно 1 ферми.
Т. е. свершено колоссальный радиус
нейтронов в ядре,
нейтроны вращаются на внешних оболочках,
образуя очень большой
нейтронный радиус или точнее сказать
распределение нейтронов
в ядре литий одиннадцать.
Вот это уже экзотическое ядро, т. н. ядро
с нейтронным гало.
Давайте пойдем дальше,
в сторону прибавления протонов к литию шестому.
Один протон к литию шестому —
стабильное ядро — бериллий седьмой —
стабильное ядро ничем не отличающееся.
Но когда мы добавляем еще один протон,
мы получаем ядро бора восьмого,
у которого разница радиусов уже обратная.
Протон вращается на внешней оболочке,
радиус нейтронный гораздо меньше,
чем протонный радиус, он составляет 0,5 ферми.
Это вообще нонсенс.
Как может протон,
испытывая кулоновское отталкивание,
вращаться настоль большом
расстоянии от кора —
ядра бора восьмого?
Этот эффект был наблюден не так давно,
и называется он уже протонным гало в ядрах.
Это очень интересный эффект,
который важен не только в фундаментальной ядерной физике,
вот как так ядро распухает,
меняет размер
при увеличении числа нейтронов или протонов?
Причем небольшого увеличения? В случае
бора это два протона,
в случае лития одиннадцатого — это три нейтрона.
Соответственно, меняется радиус ядер,
меняется их размер.
А размер или радиус ядер,
он пропорционален сечению реакции,
т. е. вероятности протекания такой реакции.
И получается, что вероятность взаимодействия
лития одиннадцатого, если нам удается получать
его пучки, и бора восьмого
существенно больше, на порядки больше,
чем вероятность взаимодействия
лития седьмого, лития восьмого.
Это объясняет многие эффекты,
в том числе астрофизические проблемы.
Бор восьмой — ядро, которое
очень важно в астрофизике.
Он испускает при распаде
нейтрон высокой энергии,
и его астрофизический фактор определяет
вероятность образования нейтрино
высоких энергий в астрофизике, и т. д. и т. п.
Вот здесь для примера показана картинка.
Видите, здесь в верхнем левом углу,
зависимость радиуса
ядра от его массы.
Вот здесь обычная зависимость,
стандартная, как А в степени 1/3 увеличивается,
выскакивает литий одиннадцать,
бериллий четырнадцать и бор восьмой, одиннадцатый.
Вот они радиусы имеют очень высокий,
три с половиной, почти, ферми.
А вот наглядное представление, внизу,
ядра лития одиннадцать с нейтронным гало.
Мы видим, что его размер…
справа показано колоссальное,
тяжелое ядро — свинец-208,
у которого 82 протона и 126 нейтронов.
И посмотрите, из этой вот
такой картинки схематической,
следует радиус ядра
лития-11, радиус материи
приближается к 12 ферми.
Это почти радиус ядра свинца-208.
Вот экзотика. Теперь,
переходя к следующей части,
я сказал, что, конечно, было бы здорово получать
пучки таких ядер.
Не просто получить литий одиннадцать
в единичных количествах,
а получить пучок 10 в третьей, 10 в четвертой
ядер в секунду,
пучок литий одиннадцать.
Вот тогда те предсказания, которые
делались о вероятности реакции,
о усилении сечения реакции,
о подбарьерных реакциях с этими ядрами,
можно было наглядно
показать, доказать и изучать.
Таким образом в последнее время
мы пытаемся получать
пучки вот таких экзотических ядер.
И построены целые фабрики так называемые
во всех ведущих центрах мира — это
Франция, Япония, Дармштадт (Германия) и, конечно, Дубна,
где созданы такие фабрики радиоактивных пучков,
и получаются пучки экзотических ядер.
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2018 Все права защищены.
