Ядерная спектроскопия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ядерная спектроскопия - раздел эксперим. ядерной физики, объединяющий методы исследования ядерных излучений: a-, b-частиц, g-квантов, электронов внутр. конверсии (см. Конверсия внутренняя ),а также протонов, нейтронов и др. частиц, возникающих при радиоакт. распаде и в ядерных реакциях. Определяются энергия частиц, их поляризация, пространств. и временные распределения. Цель исследований - определение спектра и квантовых характеристик ядерных состояний: энергии, спина, чётности, магн. дипольных и квадрупольных моментов ядер, параметров деформации (см. Деформированные ядра)и др., а также вероятностей переходов между ядерными состояниями в зависимости от их квантовых характеристик. Получаемые методами ядерной спектроскопии эксперим. данные при сравнении их с результатами теоретич. расчётов в рамках тех или иных ядерных моделей позволяют судить об осн. чертах связи и движений нуклонов в ядре, что может быть выражено через структуру модельной волновой функции ядра.

В ядерной спектроскопии используются разл. спектрометры частиц и g-квантов (см. Альфа-распад, Бета-спектрометр, Гамма-спектроскопия, Гамма-спектрометр, Нейтронная спектроскопия). Осн. доля исследований ведётся непосредственно на пучках ускоренных заряж. частиц (протонов, a-частиц, тяжёлых ионов и др.) или нейтронов. Исследования в области Я. с. могут быть разделены на 2 осн. группы.

1. Исследование радиоактивного распада короткоживу-щих нуклидов, удалённых от полосы b-стабильных ядер,- нейтронно-избыточных ядер, образующихся при делении тяжёлых ядер под действием нейтронов или заряж. частиц, или нейтронно-дефицитных ядер, образующихся в ядерных реакциях глубокого расщепления ядер протонами или в реакциях с тяжёлыми ионами. При этом облучаемая такими частицами мишень является одновременно источником ионов для масс-сепаратора, производящего разделение образующихся в мишени нуклидов (по массе и заряду) и транспортирующего выделенный пучок ионов к детекторам частиц (см. Масс-спектрометр ).Такие системы получили общее назв. ISOL (isotope separation on-line, т. е. сепарация изотопов с выходом на ЭВМ).

На рис. 1 показана схема установки на протонном синхроциклотроне (ОИЯИ, Дубна); выведенный пучок протонов р с энергией 660 МэВ бомбардирует мишень из W, нагретую до 3000 °С. Образующиеся в ней в результате реакции расщепления ядер W нуклиды, диффундируя из мишени, ионизуются на её поверхности и вытягиваются электрич. полем в область магн. поля масс-сепаратора М. Ионы заданной массы по ионопроводу И подаются в измерит. камеру, где они собираются на подвижной ленте.

Рис. 1. Схема установки ЭЛГА для изучения радиоактивного распада короткоживущих нуклидов: р- выведенный пучок протонов синхроциклотрона; W - вольфрамовая мишень, М-камера масссепаратора; И-ионопроводы; К-измерительная камера; Ge(Li), Si (An) - полупроводниковые детекторы.

Цикл накопление-измерение - удаление активности может проходить по заданному алгоритму. Установки такого рода позволяют изучать распад нуклидов с временами жизни ~0,1 с. Для измерения энергетич. спектров ос-частиц, электронов и g-квантов, их пространств--временных распределений и корреляций применяются магнитные спектрометры, полупроводниковые детекторы и сцинтил-ляционные детекторы, а также соответствующая ядерная электроника для амплитудного и временного анализа сигналов, поступающих с детекторов, и передачи их в ЭВМ для управления экспериментом и обработки эксперим. данных (см. Анализ данных, Автоматизация эксперимента, Амплитудный анализатор, Амплитудный дискриминатор).

Один из результатов исследования схемы распада показан на рис. 2. Материнские ядра ¹³²₄₉In₈₃ с периодом полураспада T_1/2 = 0,19 с образуются при делении ядер U протонами с энергией 600 МэВ. Бета-распад (b^-) происходит на уровни ядра ¹³²₅₀Sn₈₂. Изучение этого ядра представляло интерес, т. к., с одной стороны, оно обладает значит. избытком нейтронов (8) по сравнению с самым тяжёлым стабильным изотопом олова ¹¹⁸Sn, с другой стороны, это ядро является "дважды магическим": в нём замкнуты как протонная оболочка (Z=50), так и нейтронная (N=82, см. Магические ядра ).Значит. удаление от полосы b-стабиль-ности обусловило большую энергию b-распада (верх. граница b-спектра Q_b=13,6 МэВ). Анализ bg- и gg-совпаде-ний и спектров конверсионных электронов позволил определить квантовые характеристики уровней ¹³²Sn и разделить системы уровней с положит. и отрицат. чётностью уровня p, к-рые отвечают разл. схемам связи нейтрона и дырки в нейтронных оболочках (см. Оболочечная модель ядра).

2. Исследования схем состояний ядер, возбуждаемых непосредственно в ядерных реакциях (ведутся в т. н. режиме in beam - в пучке). Ускорители заряженных частиц позволяют получать пучки электронов, протонов, a-частиц, лёгких и тяжёлых ионов с варьируемой энергией и "скважностью", с заданной поляризацией и др. параметрами. Ядерные реакции, вызванные адронами, определяются гл. обр. сильным взаимодействием и протекают за времена ~10^-22-10^-18 с. Характерное время для g-переходов ~10^-15-10^-9 с. Это означает, что они происходят между связанными состояниями ядра, сформированными после того, как все быстрые процессы, управляемые сильным взаимодействием, закончились.

Варьируя сорт и энергию бомбардирующих частиц и ядра мишени, можно возбуждать в изучаемых ядрах разл. системы состояний. Так, в реакциях захвата нейтронов низкой энергии (< 1 кэВ) в ядро мишени вносится небольшой угл. момент I, что позволяет изучать систему низкоспиновых состояний ядер вплоть до энергии связи нейтрона. При бомбардировке тяжёлыми ионами с энергиями в десятки и сотни МэВ на нуклон ядрам мишени может передаваться очень большой угл. момент и возбуждаться состояния со значениями спина до 80 h (см. Высокоспиновые состояния ядер ).Т. о. можно исследовать ядерные свойства в широком диапазоне энергий возбуждения, спинов, изоспинов и др.

Рис. 3. Многодетекторный g-спектрометр для исследования высокоспиновых состояний ядер, возбуждаемых в реакциях с тяжёлыми ионами.

Рис.4. Схема уровнений ядра ¹⁶⁸Hf, возбуждаемых в реакции ¹²⁴Sn (⁴⁸Ti, 4n)¹⁶⁸Hf. Разделены ротационные полосы, основанные на состояниях различной природы.

При разрядке высоколежащих состояний ядер происходит очень большое число g-переходов. Для их анализа требуются спектрометры, объединяющие высокую эффективность регистрации с высоким энергетич. разрешением. Эти требования осуществляются в системах, состоящих из многих сцинтилляционных и полупроводниковых Ge-де-текторов. На рис. 3 показана схема спектрометра, установленного на пучке тяжёлых ионов (англ. ядерный центр Дэрсбери). В нём использованы 50 сцинтилляционных спектрометров с кристаллами германата висмута (BGO) и 6 германиевых детекторов высокого разрешения с анти-комптоновской защитой из окружающих их больших кристаллов NaI (Tl). BGO-детекторы определяют множественность g-переходов, разряжающих исходное состояние ядра, и суммарную энергию каскадных переходов. Энергия индивидуальных переходов определяется сборкой из Ge-детекторов. Кроме энергии g-переходов такие сборки позволяют определять их угл. распределения (см. Угловые распределения и угловые корреляции), а также времена жизни изомерных состояний, к-рые могут возбуждаться в данной реакции (см. Изомерия ядерная).

Управление работой комплекса ускоритель - спектрометр и обработка получаемых массивов информации требуют применения развитой электронной системы обработки сигналов и быстродействующих ЭВМ с большими объёмами оперативной памяти (см. Памяти устройства ).Результат, полученный на спектрометре, изображённом на рис. 3, показан на рис. 4; это - схема уровней деформированных ядер ¹⁶⁸Hf, возбуждаемых в реакции ¹²⁴Sn (⁴⁸Ti, 4n)^l68Hf при энергии ионов титана 216 МэВ, к-рую удалось проследить до энергии возбуждения более 10 МэВ и спинов I>30.

Измерение электромагнитных моментов ядер в возбуждённых состояниях. Для этого развиты методы, основанные на наблюдении прецессии ядерного спина за счёт сверхтонкого взаимодействия магн. дипольного момента ядра с внеш. магн. полем или электрич. квадрупольного момента с градиентом электрич. поля, создаваемого внешними по отношению к ядру полями, напр. внутрикристал-лическим полем. Для состояний с временами жизни более 10^-12с частота прецессии может быть измерена методами возмущённых угл. распределений g-квантов и угл. корреляций. По частоте прецессии может быть определён соответств. ядерный момент, если внеш. поле известно из независимого эксперимента. С др. стороны, ядра с известными магн. дипольными и электрич. квадрупольными моментами изомерных состояний интенсивно используются как зонды в конденсир. средах для определения действующих на эти ядра электрич. и магн. полей, создаваемых электронами атомных оболочек, и их зависимости от внеш. параметров (температуры, давления и др.).

Изучение бета-распада ядер (в частности, двойного бета-распада). Для этого создаются детекторы, содержащие значит. массу нуклида, ядра к-рого могут претерпевать 2b-распад (⁷⁶Ge, ¹⁰⁰Mo, ¹³⁰Те и др.). Целью таких исследований явл., в частности, поиск безнейтринного 2b-рас-пада или определение ниж. границы его вероятности.

Данные о свойствах возбуждённых состояний атомных ядер и методы Я. с. используются в физике твёрдого тела, химии, биологии, материаловедении и др. Активационный анализ опирается на данные о схемах распада радиоакт. ядер. В значит. степени на эти же данные опираются дозиметрия ионизирующих излучений и методы защиты от их воздействия, а также диагностич. и терапевтич. использование радионуклидов в медицине.

Литература по ядерной спектроскопии

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.