FTF 5 semestr.PROHOROV / Лекции / лекции_9-проблемы

плотности распределения нейтронов внутри кора. Нейтронное облако, окружающее кор простирается на гораздо большие расстояния, чем радиус ядра, определяемый соотношением R = 1.3A1/3. Так для гало-ядра 11Li пространственное распределение двух нейтронов, образующих ядерное гало

вокруг кора 9Li, простирается столь далеко, что радиус ядра 11Li оказывается сравним с радиусом 208Pb.

Было обнаружено два типа гало-ядер (рис. 7). Первый тип гало-ядер связан с общим увеличением размера ядра. Это гало-ядра 11Li, 11Be, 14Be, 17B. Гало-ядра второго типа связаны с очень компактным кором (4He). Это ядра 6He и 8He.

В области ядер N = 20 неожиданной оказалась нестабильность дважды магического ядра 28O. Исследование распадных характеристик ядер вблизи 44S дали первую информацию о существовании деформированных ядер с N = 28. Были получены ядра 45Fe, 49Ni с экстремальным отношением N/Z. Получено самое тяжелое дважды магическое самосопряженное ядро 100Sn (Z = N = 50). Все это делает экзотические ядра предметом приоритетных исследований.

На рис. 8 схематически показаны основные направления исследований с помощью радиоактивных пучков.

Основная цель исследований в области ядерной физики состоит в изучении природы взаимодействия системы конечного числа нуклонов, понимании того, как соотносятся силы взаимодействия между нуклонами с более фундаментальными взаимодействиями, как отличаются свойства и взаимодействия свободных нуклонов и нуклонов в ядерной среде. Одним из первых замечательных открытий было обнаружение некоторых регулярностей в поведении атомных ядер – магических чисел, получивших достаточно адекватное описание в модели оболочек. Другим открытием было обнаружение сил спаривания. Одним из проявлений сил спаривания является нулевое значение спина основного состояния у всех четно-четных ядер. Значительное расширение числа изотопов за счет ядер, удаленных от долины стабильности, позволяет не только более детально исследовать те явления, которые уже были обнаружены ранее, но и изучать новые явления в ядрах, находящихся в экстремальных условиях. Ядра, удаленные от долины стабильности, имеют другое среднее поле, обусловленное интерференцией кулоновского и ядерного взаимодействий.

Ответы на какие вопросы мы ожидаем получить, изучая экзотические ядра?

1. Какова область существования атомных ядер? С этой целью исследуются наиболее тяжелые из полученных в настоящее время сверхтяжелых ядер. Исследуются ядра вблизи границ энергий отделения протона Bp = 0 и нейтрона Bn = 0. Исследование атомных ядер вблизи этих границ позволяет ответить на

11

вопрос – существуют ли компактные области устойчивых ядер вне этих границ и каковы возможные причины существования таких областей.

Рис. 7. Распределение нейтронной плотности в гало-ядрах

2.Существуют ли в области экзотических ядер те же самые магические числа, как и для ядер долины стабильности? Ответ на этот вопрос особенно важен, т.к. позволит получить дополнительную информацию о форме атомных ядер и, в частности, о супердеформированных ядрах в основном состоянии. До сих пор супердеформированнные ядра были обнаружены лишь в возбужденных состояниях. Для экзотических ядер возможно появление новых магических чисел, обусловленное сильно деформированными состояниями.

3.Как меняются свойства атомных ядер в том случае, когда соотношение между числом нейтронов и протонов отличается от равновесных значений, характерных для ядер долины стабильности? В настоящее время твердо установлено существование нейтронного гало и нейтронного слоя у легких нейтроноизбыточных ядер. Необходимо получить ответы на следующие вопросы:

– насколько это свойство расслоения протонной и нейтронной материи может проявиться в экзотических ядрах с сильно неравновесным отношением N/Z?

– каково распределение масс и зарядов в экзотических ядрах?

12

лением новой информации о свойствах экзотических ядер?

4. Сверхтяжелые ядра

Поиск сверхтяжелых ядер – одна из интереснейших задач современной ядерной физики. Область существования сверхтяжелых атомных ядер определяется спонтанным делением атомных ядер или -распадом. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z2/A 46 (примерно 112-й элемент). Однако еще в 1966 г. Майером и Святецким было предсказано существование острова повышенной стабильности сверхтяжелых атомных ядер. Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и соответственно увеличить время жизни ядра. Согласно современным представлениям следующее после Pb магическое по протонам ядро имеет Z = 110. Дважды магическое ядро 110294X184 согласно расчетам должно иметь большое время жизни, а около него должны группироваться ядра с достаточно высокими барьерами деления и соответственно достаточно большими временами жизни (остров стабильности). Пока все попытки выйти на остров стабильности не увенчались успехом. Однако поиск его продолжается.

Ядра с Z = 107–109 были открыты до 1986 г. и получили названия: 107

– Bh (Borium), 108 – Hs (Hassium), 109 – Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги физиков Дубны (Г.Флеров, Ю.Оганесян) в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102–105), в 1997 году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105 было присвоено имя Dubnium (Db).

Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 г., когда была существенно повышена эффективность регистрации сверхтяжелых ядер и усовершенствована методика их наблюдения. Как результат были обнаружены изотопы 110, 111 и 112 элементов.

Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Флерова и в GSI (Дармштадт).

На основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики сверхтяжелых ядер. Наиболее устойчивым ядром по отношению к спонтанному делению является ядро с Z = 114 и N = 184. Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению 1016 лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6–8 нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на 10–15 порядков. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z < 114 и N = 184 (T1/2 = 1015 лет). Для изотопа 298114 период полураспада составляет около 10 лет.

14

В Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова (Дубна) синтезирован элемент с Z = 114. Была использована реакция

94244Pu 4820 Ca 292 114 ... 289 114 3n.

Идентификация 114 элемента проводилась по цепочке распадов. Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа 289114 30 с. Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее выполненными расчетами. Большое время жизни этого ядра по-видимому связано с тем, что оно является магическим по числу протонов.

5 Кварк-глюонная плазма

По современным представлениям при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи может образовываться кваркглюонная плазма. Предполагается, что в естественных условиях кваркглюонная плазма существовала в первые 10–5 с после Большого взрыва

(рис. 9).

Условия для образования кварк-глюонной плазмы могут существовать и в центре нейтронных звезд. Численные оценки показывают, что переход в состояние кварк-глюонной плазмы происходит как фазовый переход 1-го рода при температуре 200 МэВ. Экспериментальное наблюдение кваркглюонной плазмы – одна из приоритетных задач современной ядерной физики.

Наиболее перспективным методом получения кварк-глюонной плазмы является соударение релятивистских тяжелых ионов. Образующееся в области столкновения сжатие и нагрев могут оказаться достаточными для фазового перехода. Одна из основных проблем – идентификация состояния кварк-глюонной плазмы. Это может быть сделано по аномальному выходу нейтронных пар, эмиссии фотонов, аномально большому выходу странных частиц. Трудности идентификации связаны с тем, что, во-первых, существует большой фон за счет событий сильного взаимодействия нуклонов, вовторых, длительность кварк-глюонной стадии эволюции ядерной системы составляет малую часть общего времени эволюции. На рис. 10 показана фазовая диаграмма, из которой видно, в области каких давлений и температур можно ожидать образования кварк-глюонной плазмы.

В начале 2000 г. в CERN было официально объявлено о том, что новое состояние материи – кварк-глюонная плазма была получена в столкновениях ионов свинца с ионами свинца и золота. Полная энергия сталкивающихся ионов составила 33 ТэВ (Для образования кварк-глюонной плазмы необходимо 3.5 ТэВ). Плотность образовавшейся материи превышала плот-

15

ность ядерной материи (ядерную плотность) приблизительно в 20 раз. В соответствии с предсказаниями теории в момент образования кваркглюонной плазмы наблюдался повышенный выход странных мезонов, уменьшение выхода тяжелых -мезонов, увеличение выхода фотонов и лептон-антилептонных пар.

Рис. 9. Эволюция Вселенной

Рис. 10. Фазовая диаграмма адронной материи

16

5. Выводы

Основным направлением современной ядерной физики является исследование свойств ядерной материи в экстремальных условиях высокой плотности, высокой температуры, состояний с большими угловыми моментами. Возможности для таких экспериментов значительно расширились с использованием пучков радиоактивных ядер. Это направление исследований стимулировало в свою очередь строительство новых уникальных ускорителей, новых экспериментальных методов детектирования продуктов реакции и развитие прецизионной техники детектирования отдельных атомов, измерение масс ядер с точностью ~ 10–7. Развитие техники эксперимента привело к неожиданным открытиям.

1.Обнаружены гало-ядра – состояния ядерной материи с малой плотностью.

2.Обнаружены ядерные состояния за границами нуклонной стабильности, проявляющиеся в виде резонансных состояний.

3.Обнаружены новые типы радиоактивного распада – протонная и кластерная радиоактивность.

4.Получили подтверждения магические числа долины стабильности,

вто же время были обнаружены случаи, когда эти магические числа размываются.

5.Обнаружены новые области деформированных ядер.

6.Открытие новых сверхтяжелых ядер существенно расширило границы химических элементов, внесло некоторую ясность в вопрос о новых магических числах для протонов и нейтронов.

7.Исследование свойств полностью ионизованных атомов поставило ряд новых проблем в астрофизических исследованиях.

8.Новые экспериментальные результаты поставили перед теорией проблему – насколько надежно можно интерполировать параметры моделей, полученные для ядер долины стабильности, в область ядер, сильно перегруженных протонами или нейтронами. Известны случаи, когда такая интерполяция невозможна.

9.Как меняется нуклон-нуклонное взаимодействие в ядерной среде.

10.Расширение границы нейтроноизбыточных ядер по мере приближения к границе нейтронной стабильности может принести неожиданные результаты – в частности прояснить вопрос о том, насколько сильно связаны протонные и нейтронные степени свободы в ядрах, сильно перегруженных нейтронами.

11.В настоящее время известные гало-ядра ограничиваются областью легчайших ядер. Совсем не исследован вопрос о возможности существования средних и тяжелых гало-ядер, сильно перегруженных нейтронами.

17