книги из ГПНТБ / Прямые реакции и изомерные переходы
..pdfА К А Д Е М И Я Н А У К У З С С Р
И Н С Т И Т У Т Я Д Е Р Н О Й Ф и з.и к и
Э.А. ЗАПАРОВ, Ю. Н. КОБЛИК,
Б.С. МАЗИТОВ, Г. А. РАДЮК
ПРЯМЫЕ РЕАКЦИИ И ИЗОМЕРНЫЕ
ПЕРЕХОДЫ
ИЗДАТЕЛЬСТВО . Ф А Н ' УЗБЕКСКОЙ ССР
Т а ш к е н т —1973
Э. А. 3 а п а р о в, Ю. Н. К о б л и к , Б. С. М а з и т о в , Г. А. Р а д ю к. Прямые реакции и изомерные переходы. Таш кент, Изд-во «Фан» УзССР, .1973, Рис.—35, табл.—7, библ.—
109 |
назв., стр,—152. |
|
|
В |
монографиирассматриваются результаты оригиналь |
||
ных |
исследований по |
реакциям подхвата |
нейтронов при |
бомбардировке легких |
ядер протонами |
средних энергий, |
обсуждаются эксперименты по изучению структуры ядер с
помощью |
неупругого резонансного |
рассеяния улучей |
и |
||||
приводятся |
данные |
исследований |
многоканального |
магнит |
|||
ного |
анализатора |
заряженных |
продуктов ядерных |
реакций |
|||
типа |
«апельсин». |
|
|
|
|
|
|
Монография предназначена |
для |
специалистов, |
работа |
||||
ющих |
в области |
ядерной физики. |
|
|
|
Ответственный |
редактор |
канд. физ.-мат. наук |
Ю. Н. ТАЛАНИН |
3 |
0237 - н з ; Л |
355 (06)—73 |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Изучение взаимодействия у-излучения и протонов с ядрами может дать значительную информацию о структуре ядер и меха низме реакций. Взаимодействие с ядрами у-лучей, энергия кото рых меньше энергии образования фотоядѳрных реакций, склады
вается из различных процессов упругого рассеяния, таких |
как |
|
томсоновское, дельбруковское |
рассеяние, рассеяние на |
мезон- |
ном облаке, окружающем ядро, |
и неупругого резонансного рас |
сеяния квантов. Для исследования структуры ядер существенен по
следний вид взаимодействия, коода падающий |
на ядро |
квант |
|
вызывает резонаяюное возбуждение одного из |
его |
энергетиче |
|
ских состояний, высвечиваясь с которого, ядро |
может |
испустить |
|
один или несколько квантов меньшей энергии. |
Процесс |
зависит |
от характеристик «входного» и «выходного» каналов реакции—
неупругого резонансного рассеяния у-лучей. При |
бомбардировке |
||
ядер протонами средних энергий могут протекать |
различные |
||
реакции, такие как упругое и неупругое рассеяние, |
(р, |
п) -реакция, |
|
реакция типа (р, d) и другие. Среди |
большого класса |
взаимодей |
|
ствий протонов с ядрами существует |
специфический тип реакций, |
||
в которых происходит непосредственный переход |
от |
начального |
состояния к конечному с возбуждением лишь некоторых простых степеней свободы ядер мишени.
Это — прямые ядерные реакции с передачей нуклона, харак терные своими осциллирующими, быстро спадающими с увеличе
нием угла |
распределениями |
вылетающих частиц; |
такие |
реакции |
|||
с заметной вероятностью приводят к образованию |
выделенных |
||||||
состояний |
конечного |
ядра. |
|
|
|
|
|
Примерами реакций такого типа являются хорошо известные |
|||||||
реакции |
срыва (d, р) |
и слабо |
изученные, тяжелые |
в |
эксперимен |
||
тальном |
отношении |
реакции |
подхвата (р, d). В |
этих |
реакциях |
возбуждаются различные типы уровней, поскольку с наибольшей вероятностью будут проявляться состояния, отвечающие мини мальной перестройке ядра мишени. Поэтому в реакциях срыва будут преимущественно образовываться уровни с конфигурацией остов плюс нуклон — одночастичные состояния, а в реакции под хвата будут возникать уровни с конфигурацией остов минус нук лон — дырочіные состояния.
В первой главе подробно рассматривается |
неулругое |
резо |
|||
нансное рассеяние |
как метод |
исследования |
|
структуры |
ядра и |
обсуждается исследование ядер, |
обладающих |
изомерными состо |
|||
яниями; приводится |
значительный материал |
по сечениям |
фото- |
||
возбуждения, ширинам активационных уровней и т. д. |
|
||||
Вторая глава посвящена исследованию реакции подхвата |
|||||
нейтрона при бомбардировке легких ядер |
|
дротанами |
средних |
||
энергий; интерпретация экспериментальных |
данных осуществля |
||||
ется с помощью метода искаженных волн. |
|
|
|
||
В последней, третьей главе описываются |
характеристики мно |
гоканального магнитного анализатора типа «апельсин» отечест венного производства, предназначенного для изучения продуктов ядерных реакций и обладающего высокими эксплуатационными качествами.
Большинство разделов нами изложено с учетом, в первую оче редь, интересов физиков-экспериментаторов, поэтому вопросы тео рии рассмотрены лишь в пределах, необходимых для понимания особенностей эксперимента и анализа эмпирических данных.
Г ла в а I
Ф О Т О В О З Б У Ж Д Е Н И Е И З О М Е Р О В В Я Д Р А Х
§ 1. |
В з а и м о д е й с т в и е |
f - к в а н т о в с ядрами |
|
При исследовании ядерных |
реакций |
в диапазоне средних и |
|
низких энергий |
большое значение имеет |
изучение у-излучения, |
сопровождающего эти реакции. При малых энергиях возбуждения, близких « энергии связи нуклона в ядре, испускание у-излучения преобладает над другими процессами. С ростом энергии возбуж
дения |
радиационная ширина становится |
гораздо меньше нук- |
|
логаных |
ширин и поэтому превалирующим |
процессом |
является |
испускание частиц. Но после испускания частиц ядро часто ока зывается в возбужденном состоянии, которое переходит в основ ное, излучая у-нванты.
В фотоядерных реакциях у-лучи испускаются при упругих и неупругих процессах, если энергия первичного у-излучения н е превышает значительно энергию связи «уклона в ядре. С повы
шением энергии у-квантов преобладают |
реакции |
типа (у, п), |
(у, р) и т. д. |
|
|
Теория взаимодействия у-излучения с |
ядрами |
разработана |
полнее и последовательнее, чем теория сильных взаимодействий.
Однако экспериментов поставлено |
гораздо меньше |
по сравнению |
|
с исследованием взаимодействия |
нуклонов |
(или |
нуклонных ас |
социаций) с ядрами, главным образом, из-за |
отсутствия регули |
руемых монохроматических источников у-излучения. В экспери ментах используется тормозное излучение со сплошным спектром от ускоренных электронов или у-излучение с линейчатым спект ром, сопровождающее распад ядер или возникающее в ядерных реакциях.
При низких энергиях (до 3 Мэв) основными видами взаимо действия у-излучения с ядрами являются томсоногаское, резонанс
ное, дельбруковское рассеяния и образование |
пар |
в поле ядра. |
||
Возможна также реакция (у, |
п) на |
бериллии |
и дейтерии. |
|
Дельбруковское рассеяние, |
или |
упругое |
рассеяние фотонов |
|
статическим электрическим полем ядра, можно |
рассматривать |
|||
аналогично рассеянию света на свете, т. е. включая виртуальный |
процесс образования и аннигиляции пар в поле ядра. Точные рас
четы, сечений дельбрукоиского |
рассеяния для произвольных |
уг |
|
лов |
отсутствуют. Теоретические |
оценки величины сечений сдела |
|
ны |
только для углов рассеяния»0°. Дельбруковское рассеяние |
||
|
|
V |
5 |
проявляется лишь в экспериментах с тяжелыми ядрами и высо
кими энергиями (более 10 |
Мэв). |
|
|
|
|
|
|
||
При очень низких энергиях взаимодействие |
Y " I K B a ' H T O l B |
с |
п о л " |
||||||
ным зарядом ядра, так |
называемое ядерное |
томсоновское |
рассе |
||||||
яние, имеет электрическую дипольную природу |
и |
подобно |
дель- |
||||||
бруковскому |
является |
потенциальным |
упругим |
рассеянием. |
Ког |
||||
да энергия |
у - к в а и т 0 , в |
достигает величины |
энергии |
первого |
|
воз |
|||
бужденного |
уровня, может |
произойти |
разрыв |
внутренних |
связей |
||||
в ядре и возбуждение |
индивидуальных |
нуклонных |
уровіней. |
На |
перівом возбужденном уровне возможно лишь упругое рассеяние фотонов. С увеличением энергии укваінтов возбуждаются выше лежащие уровни, причем помимо упругого на них может наблю даться и неупругое резонансное рассеяние с переходом на ниже
лежащие возбужденные уровни. В этом |
случае ветвление |
распада |
с какого-либо уровня характеризуется |
величиной Г( = |
wfi—пар |
циальной шириной перехода, пропорциональной вероятности w данного (перехода (под Г везде подразумевается радиационная ширина). Если при разрядке уровня наблюдается явление внут ренней конверсии "у-лучей, то
Г = Г ( 1 + а ) ,
где Г — ширина"перехода, обусловленного испусканием 7-лучей;
а— полный коэффициент внутренней конверсии.
Сечение резонансного поглощения -(-квантов на одном изоли рованном уровне определяется формулой Брейта — Вигнера
здесь Jb и JQ — спины возбужденного и основного состояний соответственно;
л — длина волны фотона.
Ширина перехода на основное состояние Г 0 зависит от свойств только возбужденного и основного состояний. Полная ширина Г равна сумме всех парциальных ширин и зависит от свойств всех состояний, лежащих между исследуемым и основным: Г = ЕГ^ следовательно, сечение поглощения ап (Е) также зависит от свойств всех этих состояний. Интегральное сечение резонансного погло щения для заданного уровня зависит лишь от ширины перехода на основное состояние и от энергии падающего фотона:
1 ° . < ^ = |
ОТТГ.- |
(,.2) |
В отличие от других видов когерентного рассеяния как уп ругое, так и неупругое резонансное рассеяния возможны, когда проявляются дискретные свойства ядра. Поэтому интересно деталь но, рассмотреть явление неупругого резонансного рассеяния и
связанных с ним процессов как метод исследования" динамиче ских свойств ядра, выяснить, насколько оно -пригодно для полу чения спектроскопической информации. Наконец, на примере не четно-четных и четно-нечетных стабильных ядер, обладающих изо мерным возбужденным состоянием, можно показать ' преимуще ства и особенности метода неупругого резонансного рассеяния в исследовании дискретных характеристик ядра для получения данных о механизме реакции, сопровождающейся испусканием
у-лучей малой и средней энергии.
Вэтой главе исследуется интегральное"сечение резонансного поглощения и сечение иеупругого резонансного рассеяния. Изпер^ вого извлекается информация о парциальных ширинах - уровней
относительно |
перехода |
в |
основное |
|
состояние, а ' и з второго—о |
|||
соотношениях |
парциальных и полных ширин уровней.' |
-Сечение |
||||||
неупругого резонансного |
рассеяния |
определяется |
для |
случая, |
||||
когда образуется ядро в изомерном состоянии.- |
|
|
||||||
§ 2. Г а м м а - а к т и в а ц и я изомерных |
с о с т о я н и й |
я д е р |
||||||
Первые эксперименты по возбуждению изомерных состояний |
||||||||
стабильных |
яд-ер с помощью электромагиитиогр излучения отно |
|||||||
сятся к 1939 |
г., когда |
Гольдхабер, |
Хилл и - Сц-илл ард,. [68] попыта |
|||||
лись получить изомерное |
состояние |
1 |
l 5 m In, облучая |
металлический |
||||
индий у-излучѳние-м от |
источников |
радия |
(0,5 г). |
Эксперимент, |
однако, не удался. Гус [69] объяснил это несоответствием, между энергией у-излучения радия и возбужденными состояниями 1 1 5 ,Іп. Понтекорво и Лазард [95] установили, что при облучении индия тормозным излучением электронов, ускоренных в импульсном линейном ускорителе до' 1800 кэв, появляется активность с пери одом полураспада 4,5 часа, которая затем была отнесена к. изо; меру 1 1 5 "^Іп. Они предложили следующий механизм фотоактивации
"изомерных |
состояний. Во'время облучения |
ядра П 5 І п сплошным |
излучением |
с £макс = 1800 кэв происходит |
- резонансное^ возбуж |
дение одного или нескольких уровней, лежащих выше изомерного. При разрядке этих возбужденных состояний возможен переход не только на основной, но и на метастабильный уровень:. Веро ятность возбуждения изомерного состояния непосредственно из основного — порядка Ю- 1 0 —10~1 5 от вероятности образования изо мера через лежащие выше уровни. Энергетический уровень, переходы с которого могут привести к образованию изомерного состояния ядра, мы называем актив анионным.
Активационные уровни изомеров определялись с помощью тор мозного излучения от ускорителей с регулируемой энергией элек тронов. На графике получается зависимость активации образуе мого изомера от энергии электронов a = f{E).'•"'Экстраполируя кривую к нулевой активности, можно определить минимальную энергию фотоактивании. Валвдманом с -сотрудниками [108] и не зависимо группой харьковских физиков во главе с Корсунским
1 87
и Вальтером [21] было найдено, что изомер 1 1 5 п Ч п образуется при облучении индия тормозным излучением с £ ' макс=1070±50 кэв.
При повышении максимальной энергии тормозного излучения вклад, в изомерную активность дают и другие, лежащие выше уровни. Видѳнбек и Вальдман [108], рассмотрев теорию процесса,
пришли к выводу, что в толстых |
мишенях вклад этих |
активаци |
|
онных |
уровней должен приводить к изломам в ходе |
кривой |
|
a—f(E). |
Это было подтверждено |
ими экспериментально |
на груп |
пе ядер. Электроны ускорялись |
в генераторе Ван-де-Граафа с |
||
максимальной энергией 3,3 Мэв. |
Энергия метастабильного уров |
ня определялась по торможению электронов внутренней конвер
сии в |
алюминиевой фольге, что вызвало большие |
погрешности, |
|||||
особенно в случае каскадной разрядки метастабильного |
состо |
||||||
яния. Ими же найдено сечение фотоактивации 1 1 5 Іп на |
актива- |
||||||
ционном уровне 1070 кэв: |
|
|
|
|
|||
|
|
|
^amdE~7-lO-SiCM2- |
Мэв, |
|
|
|
|
|
|
u = gT0J^_ |
= |
2-\0~5эв; |
|
|
здесь |
g = |
2 ^ + 1 |
статистический |
множитель; |
|
|
|
1 |
|
|
|||||
|
|
Г т |
— парциальная ширина перехода с активацион- |
||||
|
|
|
ного уровня в изомерное состояние. |
|
|||
В |
(1961 г. Лукенс, Отвош и Вагнер [82] облучали |
потоком |
|||||
тормозного |
излучения (І-МО)-Ю1 3 |
у-кв/см2-сек |
с Емакс |
= 3 Мэв |
все элементы, начиная с бора, кроме инертных газов. Детектором служил сцинтилляционный -у-спектрометр со 100-канальным ана
лизатором. Было |
идентифицировано 16 изомеров. В |
1963 г. груп |
||||||||||
па японских |
физиков также |
облучала все элементы |
|
тормозным |
||||||||
излучением |
с £М акс = 6 Мэв |
и получила те же результаты. |
До |
|||||||||
полнительно |
был обнаружен |
изомер 7 9 Вг |
с £'='208 |
кэв и Г,, = |
||||||||
4,8 сек. [75]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее полные данные по фотоактивации отдельных изо |
||||||||||||
меров |
ядер 77Se, т , 1 0 9 Ag, |
l u C d , 1 1 5 Іп тормозным излучением по |
||||||||||
лучены |
группой французских |
физиков [45]. Используя |
каскадный |
|||||||||
ускоритель электронов, они изучили активационные |
|
уровни |
ряда |
|||||||||
ядер и |
сечения образования |
метастабильного состояния на каж |
||||||||||
дом активационном уроше в пределах 0,2—2,0 Мэв. |
|
|
|
|||||||||
Бус |
и сотрудники [41], исследуя фотоактивацию |
изомеров |
ряда |
|||||||||
ядер, определили |
ширину |
активационных |
уровней. |
|
В |
частности, |
||||||
ими были найдены величины |
Г0 |
для активационных |
уровней |
|
||||||||
|
|
1 1 5 І п |
1070 |
кэв |
Г 0 |
= ( 0 , 2 8 ± 0 > 0 8 ) - 1 0 - 3 |
эв |
|
|
|
|
|
|
|
|
1460 |
кэв |
Г 0 = (1,8 ± 0 , 6 ).10~3 |
эв |
|
|
|
|
||
|
|
l u C d |
134° |
кэв |
Го = ( 1 , 7 - ± 1 , 1 |
) . 1 0 - 3 3 э в |
|
|
|
|
8
Из-за большой погрешности для "'Cd авторы с |
достоверно |
||||
стью указывают только границу величины |
Г 0 < 3 - 1 0 _ 3 |
эв. |
|
||
Первый успешный эксперимент по возбуждению |
изомерных |
||||
состояний стабильных |
ядер у - и з л У Ч О Н И е , м |
радиоактивных |
изото |
||
пов правел Харботтл в 1954 г. [72]. Иапользуя изотопы 6 0 Со |
актив |
||||
ностью ЮО-т-1800 кюри |
и 1 8 2 Та—1300 |
кюри, |
он получил ядерные |
||
изомеры 1 1 5 Іп и n i C d . На основе этих |
экспериментов |
выведены |
соотношения между мощностью дозы и активностью изомера для применения в дозиметрии мощных у-полей 6 0 Со. При мощности до
зы 1000 річас, |
активность изомера составляла |
0,1—0,2 |
отсчета |
|||||||
в іминуту на 1 г вещества. Найденное Харботтлом |
сечение акти |
|||||||||
вации по отношению ко всему |
потоку |
у-лучей |
6 0 Со |
составило |
||||||
М О - 3 3 |
см\ |
Икеда и Ешихара с помощью изотопов 6 0 Со |
актив |
|||||||
ностью |
40-М0 000 кюри |
изучали |
образование изомеров |
и на. дру |
||||||
гих ядрах |
и |
получили |
сечения |
фото активации |
изомеров |
для |
||||
шести элементов [74]. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
1963 г. Вереш [107] нашел сечения |
фотоактивации |
изотопом |
||||||||
6 0 Со 424 кюри |
изомеров |
1 1 5 І п — 0 m = 8,3-lO-32 см2 |
и |
i n C d — а т — |
—1,4-10-32 см2, а также облучал изотопом 6 0 Со активностью 1310 /сю ры большое число ядер с целью обнаружить фотоактивацию их изо меров. Облучение образцов весом от 1 до 54 г производилось в свинцовом контейнере с дистанционным манипулятором за время, достаточное для насыщения активации, или, в случае больших вре мен жизни, обеспечивающее достаточную скорость счета. Вереш
также исследовал образование изомеров 1 1 3 Іп |
и 1 1 3 Cd. |
Впервые |
|||
активацию 1 1 3 »m In |
тцрмозным излучением с |
£ М а к с = 2 Мэв |
наблю- |
||
дал Понтекорво |
[94], образование изомера |
П 3 т 1 п идентифициро |
|||
валось на полулогарифмическом трафике по |
отклонению |
кривой |
|||
распада от прямой, соответствующей 7\/ з =4,5 |
час. изомера 1 1 5 Іп. |
||||
Найдено, что 7,^=96 мин. Вереш обнаружил |
изомер |
І І З І п |
после |
||
облучения естественной смеси изотопов индия Y-излучением 6 0 Со, |
|||||
снимая спектр облученной мишени сцинтнлляционным |
спектромет |
||||
ром с хорошим разрешением (7,8% для у-излучения I 3 7 Cs). |
|
Наблюдать фотоактавацию 1 1 3 Cd затруднительно из-за боль шого периода полураспада. Кроме того, 1 1 3 : m Cd в 99% случаев пе реходит посредством ß-распада из изомерного в основное состо яние 1 1 3 Іп с максимальной энергией частиц 580 кэв. Поэтому из мерения проводились со счетчиками Гейгера—Мюллера в 2я-гео-
метрии. Для уменьшения фона применялась схема |
антисовпаде |
||
ний. Естественную |
смесь изотопов кадмия |
облучали |
у-излучением |
6 0 Со в свинцовом |
контейнере в течение 2 мес. Измерения в тече |
||
ние 111 мес. показали следующее: Тч =14 |
лет, а = 1,4-10—32 см2', |
||
Г т = 3 , 5 - 1 0 - 5 эв. |
|
|
|
С 1966 г. Пелекис и Абраме с сотрудниками изучают обра зование изомеров при облучении стабильных ядер на радиаци онном контуре реактора типа ИРТ-2000 АН ЛатвССР [1]. Радиа ционный контур представляет собой шар диаметром 15 см со
9