Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

Физика экзотических ядер

Ю.Э.Пенионжкевич
Московский инженерно-физический институт

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

Пучки ускоренных экзотических ядер

    Для исследования свойств экзотических ядер во многих случаях нужны их пучки, ускоренные до энергий выше кулоновского барьера взаимодействия. Это необходимо для того, чтобы могла протекать соответствующая ядерная реакция между экзотическим ядром и ядром мишени. Тогда, исследуя продукты таких реакций, можно делать выводы о свойствах самих взаимодействующих ядер. Проблема использования пучков экзотических ядер для физических исследований сводится, в основном, к трем задачам: получение пучков экзотических ядер нужной интенсивности, ускорение их до необходимой энергии и регистрация продуктов ядерных реакций.
    При бомбардировке ядрами, ускоренными до энергий более чем 30 МэВ на нуклон (выше порога фрагментации ядра), образуется много новых ядер, летящих под передними углами (в том же направлении, что и первоначальные бомбардирующие ядра) и имеющие энергии, близкие к энергии бомбардирующих ядер. Таким образом, отпадает проблема последующего ускорения этих ядер, если только научиться каким-то способом выделять из всего потока образующихся ядер моноизотопный пучок. Для этого надо произвести селекцию продуктов ядерных реакций по массе (А) и заряду (Z) и сформировать из выделенных продуктов пучок с необходимыми для его дальнейшего исследования параметрами (диаметром, расходимостью, энергией и др.).
    Эта проблема была решена с использованием магнитных фрагмент-сепараторов, в которых несколько последовательных магнитных систем позволяют провести многократную селекцию продуктов с одинаковым соотношением импульса (Р) к заряду (q). В результате использования фрагмент-сепаратора, расположенного после производящей экзотические ядра мишени, появилась возможность получения пучков короткоживущих ядер, расположенных у границ стабильности с временами жизни до нескольких сотен микросекунд (10-6 секунды). Следующая задача, стоящая перед экспериментаторами после получения пучков экзотических ядер, - использование их для изучения свойств этих ядер. Интенсивность пучка таких ядер относительно мала. Она на 5-6 порядков меньше интенсивности первичного пучка ядер, их производящего. В лучшем случае эта интенсивность составляет 106 ядер в секунду. Поэтому для эксперимента нужны очень чувствительные методики, которые позволяли бы исследовать такие редкие процессы. Располагая соответствующими спектрометрами, физики могут использовать уже вторичные реакции взаимодействия экзотических ядер с ядрами мишени. Какие же данные удается извлечь из таких экспериментов? В первую очередь это информация о новых видах радиоактивного распада. Как известно, все радиоактивные ядра испускают электроны
(бета--распад), позитроны (бета+-распад), протоны, альфа-частицы (альфа-распад) или гамма-лучи (гамма-распад), переходя в основное нерадиоактивное состояние. Исследования пучков экзотических ядер, сильно удаленных от линии стабильности, позволило обнаружить новые виды радиоактивного распада - кластерный распад, сопровождающийся вылетом тяжелых частиц, таких, как углерод, магний, а также более тяжелых фрагментов. У ядер, сильно обогащенных нейтронами, таких, как 11Li, 17B, наблюдается распад с вылетом 2, 3 и даже 4-х нейтронов. Такие экзотические распады исследуют в поисках систем из связанных 2, 3 и 4-х нейтронов. Для протонообогащенных ядер наблюдается распад с вылетом нескольких протонов и более тяжелых заряженных частиц.
    Задача исследования свойств распада экзотических ядер является важной не только для получения информации о состояниях ядерной материи, но и служит основой для современной ядерной астрофизики - науки, занимающейся моделированием процессов, происходящих во Вселенной с помощью ядерных реакций. Наибольший интерес для ядерной астрофизики представляют процессы выделения энергии при образовании и взрыве звезд, а также образования различных химических элементов (нуклеосинтез) во Вселенной. Обе эти проблемы непосредственно связаны с исследованиями, основанными на методах ядерной физики. Для моделирования процессов образования и распада звезд изучаются ядерные реакции: измеряются вероятности взаимодействия двух ядер, вероятности распада образующихся при этом сложных ядерных систем, различного вида излучения, сопровождающие распады таких систем. Отправляя на спутниках в Космос специальные телескопы, позволяющие направленно измерять, например, гамма-излучение от космических объектов и определять его энергию. Если известно, в каком ядерном процессе генерируется гамма-излучение с этой энергией, можно определить, какой процесс происходит в звезде.
    Основную роль в астрофизических процессах играют термоядерные реакции, идущие с захватом ядрами протонов, альфа-частиц или нейтронов. Определение скорости протекания таких реакций является сложной экспериментальной задачей. Кроме этого, вероятность таких реакций зависит от температуры объекта. В процессе невзрывной эволюции звезды ее температура относительно низка, и вероятность протекания реакции невелика. При взрыве звезды температура достигает 108-109 К и вероятность реакции увеличивается на много порядков. Для моделирования этих процессов необходимо иметь широкий диапазон радиоактивных ядер, которые играют основную роль при взрыве звезд. В этом случае физики используют прямой метод исследования характерных реакций с пучками радиоактивных (экзотических) ядер, используя при этом мишень из водорода или гелия.
    Непрямой способ определения скорости реакций, а также относительного содержания элементов во Вселенной состоит в получении данных о свойствах ядер, удаленных от линии стабильности. Эти данные используются для описания процессов медленного захвата нейтронов и быстрого захвата нейтронов. Последовательный медленный захват нейтронов ядрами, сопровождающийся конкурирующим позитронным
(бета+-распадом) этих ядер, ведет к образованию различных изотопов в области нейтронодефицитных ядер (см. рис.3) и определяет их содержание в природе. Быстрый же процесс захвата нейтронов ответствен за образование нейтроноизбыточных изотопов. Скорость захвата нейтронов также зависит от температуры объекта. Зная, например, содержание элементов в нашей галактике, а также получив экспериментальную информацию о времени жизни тех или иных изотопов, входящих в цепочку процесса, можно достаточно точно определить температуру объекта, явившегося источником образования элементов (температуру звезды). Таким образом, реакции с пучками радиоактивных (экзотических) ядер дают важную информацию о процессах, происходящих во Вселенной.
    Физики научились также использовать необычные свойства экзотических ядер для получения в свою очередь не менее экзотических ядерных систем. В первой главе уже говорилось об интересе к синтезу супернейтроноизбыточных ядер легчайших элементов, таких, как водород-6, гелий-10 и др. Реакции с пучками стабильных ядер для этих целей уже оказываются слабоэффективными из-за низкой вероятности образования в них этих экзотических ядер. С появлением пучков радиоактивных ядер возможности исследований в этой области существенно расширились. Так, используя пучок ядер лития-11, японским исследователям удалось получить информацию о стабильности ядра гелия-10, которое, как уже отмечалось в первой главе, является не до связанным лишь на один мегаэлектронвольт, то есть является более стабильным, чем ожидалось из теоретических расчетов. Сейчас в реакциях с радиоактивными пучками делается попытка получения более тяжелых изотопов водорода-7, 8, гелия-12 и др.
    Неожиданный результат был получен при изучении реакции слияния двух ядер, одно из которых является экзотическим, например 6Не (ядро с нейтронным гало). Как уже отмечалось в первой главе, для того, чтобы произошла ядерная реакция между двумя заряженными ядрами, их кинетическая энергия должна превысить некоторую энергию, определяемую кулоновской энергией расталкивания. Величина этой энергии определяется достаточно точно, и она зависит от зарядов двух взаимодействующих ядер - чем больше их заряды, тем большую энергию надо сообщить этим ядрам для того, чтобы началась ядерная реакция. Этим определяется минимальная энергия ускорителей, на которых и ускоряются заряженные ядра. Однако эксперименты, проведенные в Дубне с пучками некоторых экзотических ядер, показали, что энергетический порог их взаимодействия существенно меньше кулоновского барьера. Это явление еще до конца не понято; видимо, большую роль играют структурные особенности экзотических ядер.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: ядерная физика
Публикации со словами: ядерная физика
См. также:

Оценка: 3.0 [голосов: 68]
 
О рейтинге
Версия для печати Распечатать

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце


Астронет | Научная сеть | ГАИШ МГУ | Поиск по МГУ | О проекте | Авторам

Комментарии, вопросы? Пишите: info@astronet.ru или сюда

Rambler's Top100 Яндекс цитирования