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, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.