«Особенности заселения изомерных состояний в реакциях со слабосвязанными ядрами»

(цикл работ Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ, удостоенный поощрительной премии ОИЯИ за 2019 год в области экспериментальной физики)

Впервые изомерное состояние атомных ядер было обнаружено О. Ханом в 1921 г. в естественных радиоактивных ядрах (²³⁴Ра, образующийся после β-распада ²³⁴U), а в 1935 г. – в синтезированном в Лаборатории И. В. Курчатова в реакции ⁷⁹Br(n,γ) ядре ⁸⁰Br. Первое объяснение этого явления дал в 1936 г. К. Вайцзеккер.

Изомерные состояния в атомных ядрах отличаются от возбужденных состояний тем, что вероятности перехода из них во все нижележащие состояния сильно подавлены правилами запрета по спину и четности. В частности, подавлены переходы с высокой мультипольностью (то есть большим изменением спина, необходимым для перехода в нижележащее состояние) и малой энергией перехода. Итак, при радиоактивном распаде атомного ядра наблюдаются два периода его полураспада: разрешенный правилами отбора распад по изменению спина и энергии перехода и запрещенный этими правилами отбора распад. К настоящему времени в атомных ядрах известно уже более 100 таких изомерных состояний с временами жизни более 1 с.

В некоторых областях значений массовых чисел существуют т. н. острова изомерии. Это явление качественно было объяснено в рамках оболочечной модели ядра, которая предсказывает существование в нечетных ядрах энергетически близких ядерных уровней с большим различием спинов, когда число протонов или нейтронов близко к магическим числам.

Как выяснилось позднее, существует несколько видов изомерии: изомеры формы (распад запрещен из-за несоответствия формы), спиновые изомеры (несоответствие спина) и К-изомеры (изменение в ориентации спина относительно оси симметрии ядра).

В работах, представленных авторами на конкурс ОИЯИ за 2019 год, было изучено заселение изомеров, относящихся к традиционным спиновым изомерам, при взаимодействии в реакциях ядер с гало структурой, слабосвязанных и кластерных ядер. Представленный цикл работ выполнен в коллаборации с учеными из Института ядерной физики АН Чешской Республики, Ржеж, Чехия.

Отношение вероятностей заселения основного и изомерного состояний в ядрах σ_m/σ_g, называемое изомерным отношением (ИО), зависит от ряда факторов, в частности, от переданного углового момента. Измерение изомерных отношений в различных ядерных реакциях позволяет получать важную информацию, как о структуре полученного в реакции ядра, так и о механизме его образования, степени его возбуждения, в том числе о распределении плотности ядерных уровней и спинах возбужденных ядерных состояний.

С появлением пучков слабосвязанных радиоактивных ядер появилась возможность исследования их структуры и механизма взаимодействия с другими ядрами, который сильно отличается от того, что известно для стабильных ядер: подбарьерные реакции, реакции передачи кластеров, повышенная вероятность заселения изомерных состояний и др. В настоящее время проявляется большой интерес к изучению механизма реакций, вызванных слабосвязанными радиоактивными ядрами, имеющими необычные распределения нуклонной плотности для нейтронов или протонов, которые оказывают сильное влияние на процесс взаимодействия таких ядер. В случае реакций со слабосвязанными и галоидальными ядрами, можно ожидать увеличения вносимого среднего углового момента по сравнению с реакциями на плотно упакованных ядрах (α- частицах и др.) вследствие большего радиуса распределения ядерной материи при возбуждении ядра-снаряда. Это распределение, в свою очередь, может сказаться на вероятности заселения изомерного и основного состояний продуктов реакций полного и неполного слияния и продуктов реакций передачи по сравнению с заселением этих же состояний в ядрах, образовавшихся в реакциях с обычными соседними стабильными ядрами. В таких реакциях заселение высокоспиновых изомерных уровней, по-видимому, будет отличаться от вероятностей заселений этих же состояний, полученных в реакциях, инициированных легкими стабильными частицами, например, протонами и ⁴Не.

Заселение основных и изомерных состояний в ядрах, образующихся в качестве продуктов ядерных реакций слияния, существенно зависит от энергии возбуждения составного ядра, распределения внесенных угловых моментов и от типа испускаемых при девозбуждении ядра частиц, которые могут уносить различную энергию и угловой момент.

В настоящем цикле работ проведено изучение влияния механизмов реакций слияния и передачи при взаимодействии слабосвязанных ядер ³He, и галоидальных ядер ⁶He с легкими и тяжелыми ядрами мишеней на возбуждение образовавшихся ядер, приводящее к заселению изомерных и основных состояний как в испарительных ядрах-остатках, так и в продуктах реакций при передаче отдельных нуклонов и кластеров как ядру- мишени, так и ядру- снаряду.

Были исследованы ядра вблизи замкнутых оболочек Z=82 и N=126, которые могли образоваться в реакциях на ядрах ¹⁹⁴Pt и ¹⁹⁷Au в основном и изомерном состояниях.

Исследования были выполнены на пучке ⁶He, полученном на ускорительном комплексе DRIBs ЛЯР ОИЯИ в Дубне и на выведенном пучке ³Не циклотрона У-120М Института ядерной физики АН Чешской Республики в Ржеже. Эксперименты проводились с использованием метода активационного анализа. Для измерения наведенной γ-активности использовались высокоэффективные германиевые детекторы. По характерной энергии γ-лучей и периодам полураспада проводилась идентификация ядер, имеющих относительно долгоживущие основные и изомерные состояния, и рассчитывались сечения их образования в этих состояниях. На основании измерений характерной γ-активности при распаде интересующего нас ядра были определены функции возбуждения для образования этих ядер в основном и изомерном состояниях.

Первые эксперименты на пучках ⁶Не при взаимодействии с ¹⁹⁷Au показали, что измеренные сечения реакций слияния и передачи вблизи кулоновского барьера значительно выше, чем полученные ранее в реакциях с α-частицами (⁴Не). С более высокой вероятностью в этих реакциях наблюдались выходы ряда изотопов, образовавшихся как в реакциях слияния, так и в реакциях передачи.

В реакциях полного слияния ¹⁹⁷Au(⁶Не,5n 7n) ^198,196Tl были измерены функции возбуждения с образованием изотопов ¹⁹⁸Tl и ¹⁹⁶Tl в основном и изомерном состояниях.

Измеренные для изотопов ¹⁹⁸Tl и ¹⁹⁶Tl значения ИО оказались близкими к среднестатистическому значению соотношения (2J_m + 1)/(2J_g + 1), где J_g и J_m — значения спинов ядра в основном и изомерном состояниях. Проведенные расчеты ИО свидетельствуют о близких значениях вносимого в реакциях с ⁶Не углового момента, как и в реакциях слияния с α-частицами при более высокой энергии. В подбарьерной реакции слияния на пучке ³He, ¹⁹⁷Au(³He,2n)¹⁹⁸Tl, были получены ИО для ¹⁹⁸Tl, значения которых составляли 1,1 — 1,5, что было близко к значениям ИО для ¹⁹⁸Tl, полученного в реакциях на α-частицах и ⁶He при энергиях частиц выше кулоновского барьера.

При более высокой энергии ⁶He измерялись изомерные отношения в ядре ¹⁹⁵Hg, которое было получено в реакции слияния, распадающегося с вылетом нейтронов и заряженной частицы: ¹⁹⁷Au(⁶He,p7n)¹⁹⁵Hg. Изомерное отношение для этого изотопа, образовавшегося в реакции слияния с испарением протона и 7 нейтронов, также больше единицы, но слабо менялось с ростом энергии ⁶He до 20 МэВ/ нуклон.

Было интересно сравнить заселение основных и изомерных состояний в ядрах, образовавшихся в реакциях передачи нуклонов, которые должны сильнее чувствовать угловой момент взаимодействующих ядер. В реакции ¹⁹⁷Au+⁶He были измерены функции возбуждения для образования изотопов ¹⁹⁶Au и ¹⁹⁸Au в основном и изомерном состояниях с передачей нейтронов ядру-мишени или налетающей частице (механизмы срыва и подхвата нейтронов). ИО, полученные для ¹⁹⁶Au и ¹⁹⁸Au, имеют более низкие значения по сравнению с реакциями полного слияния и различное их поведение с изменением энергии бомбардирующих частиц. Значения ИО для ¹⁹⁶Au практически не зависят от энергии ⁶He во всем измеренном диапазоне энергий вплоть до 20 МэВ/нуклон и близки к значению 3∙10^–1. Значения ИО для ¹⁹⁸Au растут с увеличением энергии ⁶He и в диапазоне энергий от 20 МэВ до 60 МэВ и меняются от 10^-3 до 10^-2.

На рисунке для наглядности представлено поведение ИО для различных каналов реакции ¹⁹⁷Au+⁶He. Следует отметить, что для изотопов ¹⁹⁶Au и ¹⁹⁸Au, полученных в реакции ¹⁹⁷Au+⁴He, значения ИО имеют иную зависимость от энергии ⁴He. ИО растет для ¹⁹⁶Au с изменением энергии ⁴He и практически не меняется для ¹⁹⁸Au.

На пучке ³He была изучена зарядовообменная реакция (¹⁹⁷Au(³He,t)¹⁹⁷Hg), в которой измерялись сечения образования изотопов ¹⁹⁷Hg в основном и изомерном состояниях, и определены значения ИО. Было показано, что ИО для этой зарядовобменной реакции имеют также относительно низкую величину (~0.1) и она практически не меняется с изменением энергии ³Не.

Благодаря специально разработанной и примененной в экспериментах методике облучения мишеней и измерения сечений образования ядер в основном и изомерном состоянии на уникальных пучках ускоренных заряженных частиц ⁶He ускорительного комплекса ОИЯИ DRIBs и на выведенном пучке ³He циклотрона У-120М ИЯФ (Ржеж, Чешская Республика), удалось получить интересные результаты, которые позволили определить закономерности образования и поведения функций возбуждения для различных каналов реакции. На основании полученных в реакциях данных были сделаны следующие выводы:

1. Впервые на пучках слабосвязанных ядер (³He и ⁶He) измерены сечения образования изотопов Hg, Au и Tl в основном и изомерном состояниях в реакциях ¹⁹⁴Pt+³He и ¹⁹⁷Au+⁶He. Измерены функции возбуждения различных каналов реакций (реакции слияния, передачи и зарядового обмена).
2. Впервые определены изомерные отношения для изотопов:
   
   ¹⁹⁵Hg, ¹⁹⁶Tl, ¹⁹⁸Tl, образовавшихся в реакциях слияния ¹⁹⁴Pt + ³He
   и ¹⁹⁷Au + ³He (⁶He);
   
   ¹⁹⁶Au ¹⁹⁸Au — в реакциях передачи ¹⁹⁷Au с ⁶He и ³He;
   
   ¹⁹⁷Hg — в реакции зарядового обмена ¹⁹⁷Au(³He,t)¹⁹⁷Hg.
3. Показано, что для продуктов реакций слияния, полученных на пучках ⁶He с гало и слабосвязанном ядре ³He ИО больше, чем в реакциях передачи нуклонов и зарядовообменных реакциях. Это свидетельствует о разных механизмах заселения возбужденных состояний в этих реакциях. Смещение в реакциях полного слияния максимумов ИО в сторону низких энергий может свидетельствовать о большем угловом моменте, вносимом ядрами ³He и ⁶He. Обнаруженная зависимость значений ИО в реакциях срыва и подхвата нейтронов, а также кластеров от энергии бомбардирующей частицы связана с различным селективным заселением одночастичных и коллективных состояний в образовавшихся ядрах в реакциях на пучках слабосвязанных и стабильных ядер.

Таким образом, реакции с пучками слабосвязанных радиоактивных ядер могут быть использованы для заселения высоколежащих состояний в ядрах, в том числе и ядрах на границе нейтронной стабильности.

Основные результаты работ прошли апробацию и были доложены на международных конференциях: International Conference «Isomers in Nuclear and Interdisciplinary Research» (July 2011, Peterhof, Russia); Международные конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра: 64 Международная конференция «ЯДРО-2014» (Минск, Белоруссия), 65 Международная конференция «ЯДРО-2015» (Петергоф, Россия), 68 Международная конференция «ЯДРО-2018» (Воронеж, Россия); International symposium: EXON 2016 (September 2016, Kazan); Zakopane Conference on Nuclear Physics «Extremes of the Nuclear Landscape» (September 2018, Zakopane, Poland) и др.

Скобелев Н.К., старший научный сотрудник ЛЯР