Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи
Мальцев Николай Александрович
УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ НА БОЛЬШИЕ УГЛЫ КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЯДЕР
Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Гриднев Константин Александрович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Бунаков Вадим Евгеньевич, Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, ведущий научный сотрудник доктор физико-математических наук, профессор Лощаков Игорь Иванович, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, заведующий кафедрой
Ведущая организация: ФГУП НПО Радиевый институт им.
В. Г. Хлопина
Защита состоится 20 декабря 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.232.16 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004, Россия, Санкт-Петербург, Средний пр. В.О., д. 41/43 мультимедийная ауд. 304.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГУ.
Автореферат разослан 201 года.
Ученый секретарь Власников А.К.
диссертационного совета
Общая характеристика работы
.
Актуальность темы.
Ядерные реакции с тяжелыми ионами являются интенсивно развивающимся и плодотворным направлением современных ядерных исследований и находят важное приложение в таких областях как: получение радиоактивных пучков и сверхтяжелых элементов, радиотерапия и хирургия с использованием тяжелых ионов, изучение возбужднных состояний ядер с высоким угловым моментом, астрофизика, нуклеосинтез, также является инструментом анализа структуры, свойств атомных ядер и механизмов реакций. При этом ключевым моментом для теоретического анализа ядерных процессов и оценки сечений упругого и неупругого рассеяний и слияния ядер, становится знание ядроядерных потенциалов, и ситуация такова, что до сих пор нет однозначного способа из теоретико-полевых приближений и квантовой хромодинамики получить нуклон-нуклонное взаимодействие. Если говорить о рассеянии двух составных частиц, то эта задача является значительно более трудной чем рассеяние двух нуклонов, для её решения, обычно, вводят оптический потенциал. В тоже время, параметры потенциалов, извлекаемые из сравнения экспериментальных данных с расчетами, подвержены многочисленным неоднозначностям, что затрудняет использование данных о рассеянии как базис для других расчётов, например для описания реакций передачи, неупругого рассеяния и слияния ядер. Можно сказать что, в современной теории ядерных реакций нет единого подхода который бы позволил дать теоретическое описание эксперимента рассеяния ядер в полном объёме, нет модели потенциала, которая бы могла быть применена к рассеянию ядер при любой энергии и во всём диапазоне углов. С другой стороны, накопленные в большом объёме экспериментальные данные, особенно по упругому рассеянию ядер, делают актуальной задачу построения схем расчётов и моделей которые бы позволили связать упругое рассеяние и свойства ядер.
Это приводит к главному объекту исследования диссертации, а именно, на ос16 нове реакции упругого рассеяния O + C попытаться построить потенциал для широкого интервала энергий, который, в свою очередь, позволит оценить вклады процессов упругой и неупругой передачи -кластера, существенных для упругого рассеяния в область больших углов. Актуальность такого подхода в том, что он позволяет улучшить описание дифференциального сечения упруго16 го рассеяния O + C и извлечь некоторые свойства -кластерных состояний ядра O в основном и возбуждённых состояниях из упругого рассеяния на большие углы. Также изучен вопрос о возможности извлечения коэффициента 16 сжимаемости ядерной материи, по упругому рассеянию O + C в моделях двойной свёртки и l-зависимого отталкивающего кора.
Цели работы.
Целью диссертационной работы является построение схем расчёта которые позволят улучшить описание дифференциального сечения упругого рассеяния O 12 16 16 16 + C и O + O. На их основе, из рассеяния O + C, получить спектроскопические амплитуды -кластерных состояний ядра O в основном и воз16 буждённом состояниях. Для рассеяния O + O исследовать влияние обмена одним нейтроном на сечение упругого рассеяния. В потенциальной модели исследовать возможности извлечения коэффициента сжимаемости ядерной материи. В соответствии с выше сказанным, в работе решались следующие задачи:
16 Х описание упругого рассеяния O + C в оптической модели с целью нахождения систематики параметров оптических потенциалов по энергии, в нескольких моделях и дальнейшее использование их в качестве базиса для описания реакций с перераспределением частиц;
Х в рамках модели двойной свёртки и модели с l-зависимым кором провести анализ возможности извлечения величины коэффициента сжимаемости ядерной материи, и проследить его влияние на рассеяние в области больших углов в широком интервале энергий. Сравнить результаты полученные в этих подходах;
Х исследование влияния процесса упругой передачи -кластера на угловые 16 распределения упругого рассеяния O + C в области больших углов и определение спектроскопических факторов -кластерных состояний для ряда энергий;
Х изучение влияния неупругой передачи (передачи через возбуждённые состояния и связь каналов) на дифференциальное сечение упругого рассе16 яния O + C в области больших углов и посредством такого подхода нахождение -кластерных спектроскопических факторов неосновных состояний с определённой конфигурацией нуклонов;
16 Х на примере упругого рассеяния O + O изучить вклад простых обменных процессов на сечение упругого рассеяния и возможность получения спектроскопических факторов.
Научная новизна работы.
Научная новизна выполненной диссертации заключается в следующем:
Х в диссертации впервые систематически в различных подходах проанали16 зированы реакции O + C в широком диапазоне углов и энергий. В рамках моделей двойной свёртки и l-зависимого кора, исследована возможность получения величины сжимаемости ядерной материи по упругому рассеянию. Изучено влияние коэффициента сжимаемости и l-зависимого кора на дифференциальное сечение упругого рассеяния на большие углы при различных энергиях. Отмечены особенности каждого из методов для нахождении коэффициента сжимаемости в области низких и высоких энергий. Для модели двойной свёртки построена систематика параметров потенцала по энергии;
Х в рамках модели кластерной свёртки найдены потенциалы взаимодействия в диапазоне имеющихся энергий, произведено сравнение теоретического описания упругого рассеяния с потенциалом кластерной свёртки, с расчётами сделанными с другими моделями потенциалов. Построена систематика параметров потенциала кластерной свёртки по энергии;
Х анализ упругого рассеяния с использованием потенциалов двойной свёртки и кластерной свёртки позволил построить простую систематику феноменологического потенциала типа Вудса-Саксона в квадрате по энергии, хорошо описывающего рассеяние в переднюю полусферу. Построение такого потенциала даёт возможность анализа влияния неупругих каналов и каналов с перераспределением частиц;
Х использование метода искажённых волн (DWBA) и борновского приближения связанных каналов (CCBA) было показано, что учёт неупругой передачи -кластера через возбуждённые состояния ядер O (2+ 6.9МэВ) и C (2+ 4.44 МэВ) позволяет улучшить описание упругого рассеяния во всём интервале исследуемых энергий. Показано, что состояние 2+ ядра O даёт больший вклад в рассеяние на большие углы. Такой подход позволил получить кластерные спектроскопические факторы основного и возбуждённых состояний ядра. Использование в модели квантовых чисел кластера может быть инструментом извлечения квантовых чисел из упругого рассеяния на большие углы;
Х изучено влияние процесса обмена нейтроном на упругое рассеяние O + O.
Практическая значимость результатов работы.
Полученные результаты дополняют существующие теоретические вычисления, позволяют лучше понять механизмы влияющие на упругое рассеяние O+12C и O+16O.
Оптические потенциалы, найденные из анализа дифференциальных сечений упругого рассеяния в рамках феноменологического и микроскопического подходов, дают базис для расчёта, во всём интервале изученных энергий, процессов с перераспределением, неупругих процессов, слияния ядер, при этом хорошая точность определения параметров потенциалов достигается доступностью точных экспериментальных данных.
Установленные значения кластерных спектроскопических факторов требуются для расчёта астрофизических процессов, нуклеосинтеза и процес16 сов в звёздах, где ядра O и C играют важную роль. Применённый в работе подход позволяет использовать наиболее простой процесс - упругое рассеяние, для анализа возбуждённых кластерных состояний.
ичное участие автора.
Все представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его активном участии.
Ниже перечислены работы, лично выполненные автором.
Х Анализ доступных экспериментальных данных по упругому рассеянию 16 12 16 O + C и O + O и выбор наиболее подходящих критериям исследования.
Х Обработка экспериментальных данных с цель нахождения оптимальных параметров потенциалов в рамках моделей двойной свёртки с зависимыми от плотности нуклон-нуклонными силами, двойной кластерной свёртки, потенциала с l-зависимым отталкивающим кором и феноменологического потенциала типа Вудса-Саксона в квадрате.
Х Построение систематики параметров оптического потенциала по энергии.
Х Анализ влияния канала упругой передачи -кластера и получение спектроскопических факторов -кластера основного состояния ядра O для широкого диапазона энергий рассеяния.
Х Изучение вклада неупругой передачи -кластера на упругое рассеяние в область больших углов и нахождение спектроскопических факторов кластера возбуждённых состояний для широкого интервала энергий.
Х Расчёт дифференциального сечения подхвата нейтрона в реакции O + O и на основе этого изучение влияния обмена нейтроном на упругое 16 рассеяние O + O.
Основные положения выносимые на защиту.
Х Исследование вклада неупругой передачи -кластера - реакций C(16O, 12 12 12 16 C)16O и C(16O, C)16O в упругое рассеяние O + C на большие углы.
Х Обоснование возможности использования упругого рассеяния на большие 16 углы, на примере упругого рассеяния O + C, для нахождения спектроскопических факторов возбуждённых -кластерных состояний ядра, при этом считается, что кластер находится в определённом квантовом состоянии.
Х Изучение возможности нахождения коэффициента сжимаемости ядерной материи из упругого рассеяния. Показано, что модель двойной свёртки с нуклон-нуклонными силами зависимыми от плотности не позволяет извлечь коэффициент сжимаемости ядерной материи из упругого рассеяния 16 O + C.
Х Нахождение параметров оптического потенциала достаточно хорошо опи16 сывающего упругое рассеяние O + C приблизительно до 90 и построение его систематики по энергии.
Х Исследование вклада обмена одним нейтроном в упругое рассеяние O + O.
Х Расчёт в оптической модели с l-зависимым отталкивающим кором коэффициента сжимаемости ядерной материи.
Апробация работы.
Основные результаты были получены в период с 2008 по 2012 г.г. По теме исследования автором делались доклады на российских и международных совещаниях и конференциях [1Ц3]. Опубликованы 4 статьи в журналах из списка ВАК [4Ц7].
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов, заключения и приложения, содержит 105 страниц, 13 таблиц и 32 рисунков. Приведённый в конце список литературы включает 96 наименований.
Общая характеристика работы.
Во введении сформулированы цели и задачи работы, обосновывается актуальность исследований и выбора объекта исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность результатов, кратко излагается содержание отдельных глав. Также приведён список конференций и публикаций, в которых докладывались результаты диссертации.
Глава 1 содержит обзор литературы отражающий современное состо16 12 16 яние и этапы развития исследований реакций O + C и O + O. В ней отражены подходы применяемые для изучения этих реакций, что было сделано, и нерешённые проблемы. Эта глава служит основой для формирования целей и задач поставленных в диссертации. Уже в ранних работах по изучению 16 упругого рассеяния O + C было показано, что процесс упругой передачи -кластера вносит существенный вклад в упругое рассеяние, в то же время механизм неупругой передачи не оценивался.
В глава 2 подробно рассмотрены модели применяемые в диссертации 16 12 16 для теоретического описания рассеяния O + C и O + O и состоит из пяти разделов. В первом разделе приведены основные типы феноменологических по12 тенциалов, наиболее часто применяемые для описания рассеяния ядер C, O, приводятся обоснования их использования. Как известно, применение феноменологических оптических потенциалов, есть наиболее простой метод описания упругого рассеяния. В то же время, если действительную часть потенциала можно расчитать в рамках микроскопических подходов, то мнимая часть потенциала, практически всегда рассматривается феноменологически, в связи с огромной сложностью многотельной задачи в пространстве многих каналов. В качестве базового потенциала для анализа процессов передачи в реакциях O + 12 16 C и O + O в диссертации был использован потенциал типа Вудса-Саксона в квадрате (WS2):
VV (r) = -.
(1 + exp((r - RV )/aV ))Потенциал такого типа нашёл широкое применение в современных работах. Использование потенциала такой формы объясняется его близость к потенциалу двойной свёртки (за исключением области очень малых расстояний).Раздел посвящён описанию потенциала двойной свёртки. Интерес к нему обусловлен тем, что он уменьшает число свободных параметров в оптическом потенциале и позволяет связать свойства ядерной материи и потенциала. В следующем разделе вводится потенциал двойной кластерной свёртки, который представляет собой свёртку распределений плотностей -частиц в ядрах с потенциалом Бака, взаимодействия двух -частиц. Два последних раздела этой главы, посвящены подходам применяемых для расчёта прямых процессов: метод искажённых волн (DWBA) и метод связанных каналов. Метод искажённых волн зарекомендовал себя, в основном, как инструмент расчёта процессов с перераспределением частиц, тогда как метод связанных каналов чаще применяется для расчёта неупругих процессов. Комбинация этих двух методов называется борновским приближением связанных каналов (CCBA). Он позволяет вычислять процессы включающие как передачи, так и возбуждения со связью каналов. Используя модель CCBA в диссертации вычислялись вклады неупругой передачи кластера и извлекались спектроскопические факторы.
Глава 3 основная часть, она содержит теоретический анализ экспериментальных данных для широкого интервала энергий. Первым этапом, анализа экспериментальных данных, является нахождение оптического потенциала. Было проведено сравнение потенциалов двойной свёртки с разными типами нуклон-нуклонных сил, отличающимися коэффициентами сжимаемости ядерной материи, и показанно, что коэффициент сжимаемости не сказывается заметно на сечении упругого рассеяния, это не позволяет использовать потенциал двойной свёртки для нахождения коэффициента сжимаемости ядерной материи. Результатом расчёта для широкого интервала энергий является то, что нормировочный множитель для потенциала двойной свёртки практически не меняется с энергией. Близкий результат получается и в модели двойной кластерной свёртки. Один из результатов расчёта, с использованием потенциалов двойной свёртки и двойной кластерной свёртки, показан на рисунке 1.
16 Рис. 1. Дифференциальное сечение упругого рассеяния O + C Eлаб. = 132.0 МэВ. Точки - эксперимент, кривая(слева) - оптическая модель с потенциалом двойной свёртки с силами CDM3Y6, кривая(справа) - оптическая модель с потенциалом двойной кластерной свёртки.
Так как потенциал типа Вудса-Саксона в квадрате близок к потенциалу двойной свёртки и двойной кластерной свёртки, то удаётся построить потенциал типа WS2 у которого r0=0.8 фм, a=1.4 фм, и меняется только глубина потенциала, при этом описание рассеяния не ухудшается по сравнению с потенциалом двойной свёртки. Другим подходом который позволяет улучшить 16 описание сечения упругого рассеяния O + C на больших углах является модель l-зависимого отталкивающего кора. Кор имеет вид:
Vk(r), r Rcore Vcore(r) = 0, r > Rcore rVk(r) = C 1 -, Rcore = rk + r 1 - (-1)l /2, Rcore При этом величину кора C можно связать с коэффициентом сжимаемости K = 9C. Результат влияния кора на сечение упругого рассеяния показан на рисунке 2.
Рис. 2. Сравнение экспериментального сечения упругого рассеяния O +12 C с расcчитанным в оптической модели с l - зависимым кором:
точки - эксперимент, штриховая линия - рассчёт без кора, сплошная линия - рассчёт с кором; энергия Eлаб = 62.0 МэВ.
Проведённый расчёт для широкого интервала энергий, показывает, что добавление потенциала l - зависимого отталкивающего кора позволяет хорошо описать весь интервал энергий. При этом величина коэффициента сжимаемости ядерной материи K 268 МэВ. На рисунке 3 показан расчёт сделанный для 16 двух энергий Eлаб = 80.0 МэВ и 132 МэВ упругого рассеяния O + C.
16 Рис. 3. Дифференциальное сечение упругого рассеяния O + C. Точки - эксперимент, сплошная линия - рассчёт с кором. Eлаб.: слева - 80.0 МэВ, справа - 132.0 МэВ.
Простая оптическая модель часто не даёт хорошего описания эксперимента, особенно в области больших углов. И тогда становиться целесообразным точный учёт некоторых каналов, вклад которых, исходя из кинематики, более существеннен в области больших углов рассеяния. Одним из таких каналов для 16 12 16 рассеяния O + C является передача -кластера от ядра O ядру C при котором в результате присоединения -частицы ядро O образуется в основном состоянии. Это соответствует реакции C(16O,12 C)16O. Этот прямой процесс 12 характеризуется преобладанием вылета вперёд ядра C, а ядро O вылетает преимущественно под задними углами, а так как частицы находящиеся в одном и том же состоянии неразличимы, то процесс упругой передачи может давать заметный вклад в упругое рассеяние под задними углами. Есть предположение, что в результате процесса срыва, ядро C образуется более вероятно в первом возбуждённом состоянии 2+ 4.44 МэВ. Такой механизм тоже может давать вклад в упругое рассеяние, посредством двухступенчатого процесса, в котором на первом этапе ядро образуется в возбуждённом состоянии, а на втором шаге ядро переходит в основное состояние. Также в результате присоединения 12 -частицы к ядру C может возникать неосновное состояние ядра O с последующим переходом его в основное состояние. Такие процессы передачи в конечном итоге влияют на процесс упругой передачи и соответственно на рассеяние в области больших углов. В данном случае, задачей является оценить вклад каналов упругой и неупругой передачи на дифференциальное сечение упругого рассеяния и попытаться извлечь, посредством такой модели, характеристики основного и возбуждённого состояний. В основу такого анализа положено использование метода искажённых волн(DWBA) для одноступенчатой передачи и борновского приближения связанных каналов(CCBA) для двухступенчатых процессов.
В качестве обоснования включения неупругих каналов передачи на ри16 сунке 4 приведены экспериментальные сечения упругого рассеяния O + C и дифференциальные сечения образования в этой реакции возбуждённых состо16 яний ядер O и C. На рисунке видно, что сумма сечений образования возбуждённых состояний 2+ и 3- ядра O начинает превышать сечение упругого рассеяния при угле порядка 90 ( например, максимум различия на больших углах для энергии 62.0 МэВ достигает 50 крат). Само сечение неупругого рассеяния с возбуждением ядра O имеет рост под большими углами, что можно объяснить процессом неупругой передачи C(16O,12 C)16O.
16 Рис. 4. Дифференциальные сечения рассеяния для реакции O + C.
Пустые квадраты - упругое рассеяние, закрашенные круги - сумма сечений рассеяния с образованием первых возбуждённых состояний 2+ и 3ядра O, треугольники - сечение возбуждения первого возбуждённого состояния 2+ ядра C. Энергии: 62.0 МэВ (слева), 124.0 МэВ (справа).
Сечение неупругого рассеяния с образованием состояния 2+ ядра C лежит близко к сечению упругого процесса (превышая его в районе 80 ) и вклад в это неупругое рассеяние процесса срыва с образованием 2+ ядра C оценить сложнее, это связанно с тем, что, из кинематики, такой вклад будет преобладать в направлении вперёд. Схемы использованные для расчёта неупругой передачи 16 в реакции O + C приведены на рисунке 5.
16 Рис. 5. Схемы расчёта в модели CCBA для реакции O + C.
На рисунке6 изображено сравнение расчётов сделаных с учётом упругой передачи -кластера и неупругой передачи с образованием возбуждённого состояния 2+ ядра O. Учёт двухступенчатого механизма передачи через возбуждённое состояние 2+ 16O улучшает теоретическое сечения упругого рассеяния на больших углах. Такой процес может в бо степени влиять на льшей область средних углов, чем упругая передача. Что подтверждается расчётом.
Связанно это с тем, что передачи кластера с образованием неупругого состояния 2+ идёт с изменением относительного углового момента, и следовательно максимум направления вылета ядер O будет сдвигаться в область средних углов.
Рис. 6. Дифференциальное сечение упругого рассеяния O +12 C Eлаб. = 115.9 МэВ. Точки - эксперимент, пунктирная линия - расчёт по оптической модели с потенциалом WS2, сплошная линия (слева) - расчёт с учётом упругой передачи -кластера, сплошная линия (справа) - расчёт по CCBA модели ( схема рис.5 слева) Другой механизм который может давать вклад в упругую передачу изображён на рисунке 5 справа. При некоторых энергиях он тоже приводure. Sarov: 2011.
3. Gridnev K. A., Maltsev N. A., Leshakova N. V. The influence of the elastic and inelastic cluster transfer on the elastic scattering of // Abstract. LXII meeting on nuclear spectroscopy and nuclear structure. Abstract. LXII international conference "Nucleus 2012. Fundamental problems of nuclear physics, atomic power engineering and nuclear technologies". Voronezh: 2012. P. 208.
4. Гриднев К. А., Буртебаев Н., Мальцев Н. А. и др. Изучение реакции O+12C в широком диапазоне энергий // Изв. РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75, № 7.
С. 1016Ц1018.
5. Гриднев К. А., Мальцев Н. А. Изучение реакции O+12C в фолдинг-модели, моделях передачи кластера и отталкивающего кора // Вестн. СПбГУ. Сер.
4: физика, химия. 2011. № 4. С. 8Ц23.
6. Гриднев К. А., Мальцев Н. А., Буртебаев Н. и др. Роль канала неупругой передачи в упругом рассеянии O+12C в широком диапазоне энергий // Изв. РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76, № 8. С. 1038.
7. Торилов С. Ю., Гриднев К. А., Жеребчевский В. И. и др. Кластерные состояния в нейтронно-избыточном ядре Ne // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94, № 1. С. 8Ц12.