Возбуждение и девозбуждение метастабильных ядерных состояний при неупругом рассеянии электромагнитного излучения

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ВОЗБУЖДЕНИЕ И ДЕВОЗБУЖДЕНИЕ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРИ НЕУПРУГОМ РАССЕЯНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Д.ф.-м.н. Ю.П. Гангрский
Л.М. Мельникова
Объединенный институт ядерных исследований

1. Общий анализ проблематики исследований по заданному направлению 2. Исследования, финансируемые РФФИ 3. Соответствие проектов РФФИ актуальным проблемам Литература

1. Общий анализ проблематики исследований по заданному направлению

Особенности электромагнитного излучения. Одним из направлений исследований структуры атомных ядер является получение информации о спектре их возбужденных состояний. Эта информация включает энергии уровней, их квантовые характеристики (спины, четности, электрические и магнитные моменты) и нуклонные конфигурации. Эти характеристики уровней обычно используются для сравнения с выводами различных моделей, на основе которых происходит развитие наших представлений о ядерной структуре.

Среди методов определения этих характеристик возбужденных состояний широко используется неупругое рассеяние различных частиц на ядрах. Особое значение из них имеют кванты электромагнитного излучения широкого спектра энергий (при энергиях выше 104 эВ, соответствующих энергиям ядерных уровней, они носят название g-квантов). Это определяется их свойствами, которые существенно отличаются от свойств других бомбардирующих частиц (протонов, нейтронов, a-частиц, тяжелых ионов, мезонов):

1. В отличие от указанных частиц взаимодействие g-излучения с ядрами является целиком электромагнитным, характер которого хорошо известен. Поэтому описание процесса взаимодействия может быть проведено достаточно строго и без проявления каких-либо модельных представлений.
2. Для g-квантов отсутствуют и энергия связи с ядром, и кулоновский барьер. Поэтому можно получать ядра с любой, даже самой низкой энергией возбуждения непосредственно при поглощении g-квантов. Это упрощает и проведение экспериментов, и описание процесса взаимодействия g-излучения с ядрами и определение квантовых характеристик возбуждаемых уровней.

Недостатком использования g-излучения в исследовании неупругого рассеяния является то, что возбуждающее излучение идентично с излучением, испускаемым при разрядке ядер. Это приводит к высокому уровню фона при регистрации неупруго рассеянного излучения, что, естественно, снижает чувствительность измерений. Этот недостаток практически устраняется, если при рассеянии g-излучения ядро оказывается в метастабильном (или изомерном) состоянии со временем жизни, заметно большем времени жизни обычных ядерных уровней, которое обычно не превышает 10-9 с. Таким образом, при возбуждении изомерных состояний можно эффективно разделять по времени процессы облучения изучаемых ядер и измерения спектров g-излучения, испускаемого при их разрядке. Это позволяет проводить измерения в свободных от возбуждающего излучения условиях, что существенно повышает чувствительность измерений.

Все это и объясняет большой интерес к исследованию реакций неупругого рассеяния g-излучения с возбуждением метастабильных состояний. Они стали важным источником информации, как о свойствах самих метастабильных состояний, так и тех возбужденных уровней, которые связаны с ними радиационными переходами.

Метастабильные состояния в ядрах. В атомах наличие метастабильных состояний является обычным явлением. Например, такими состояниями оказываются компоненты тонкой структуры, возникающей из-за спин-орбитального взаимодействия электронов в атоме. Они достаточно долгоживущие, и их разрядка происходит преимущественно путем потерь энергии при столкновениях с другими атомами.

В ядрах это явление не является столь же распространенным. Впервые это было обнаружено в 1921 г. в естественных радиоактивных ядрах (234Ра, образующийся после b-распада 234U), а в 1935 г. – в искусственных – в ядре 80Br, образующемся в реакции 79Br(n,g).

После этого начались широкие исследования ядерной изомерии, и к настоящему времени известно уже более 100 таких состояний с временами жизни более 1 с. Еще большее число изомерных уровней (оно непрерывно растет с усовершенствованием экспериментальной техники) имеет времена жизни менее 1 с, но более, чем типичные времена жизни возбужденных состояний ядер (10-9 – 10-13 с).

Значительное увеличение времен жизни метастабильных состояний в ядрах связано с рядом причин. К ним относится большая разница угловых моментов или их проекций на ось симметрии ядра в изомерном и основном состояниях. В ряде случаев причиной изомерии может быть различие форм ядра в разных состояниях, а также некоторых характеристик уровней (квантовых чисел), таких как орбитальный момент, изотопический спин и другие.

Возбуждение изомерных состояний. Из сравнительно большого времени жизни изомерных уровней следует их очень малая приведенная ширина для радиационных переходов на расположенные ниже уровни. Она составляет лишь малую долю от полной ширины (< 10-6), которая определяется в основном доплеровским уширением частоты, вызываемым тепловым движением атомов. Это приводит к очень низкому значению сечения поглощения g-кванта непосредственно на изомерный уровень. Для изомерных уровней со временем жизни более 1 с оно оказывается ниже 10-3 барн даже в случае резонанса, когда энергия g-кванта совпадает с энергией изомерного уровня. Это в 106 – 109 раз ниже, чем в случае обычных ядерных уровней с временами жизни 10-9 – 10-12 с, у которых радиационная ширина близка к полной.

Поэтому возбуждение изомерных состояний происходит другим путем – захват g-кванта на высоколежащие уровни с последующим их распадом на изомерное состояние (такие уровни называются активационными). Сечение этого процесса определяется выражением:

(1)

где s0i – сечение поглощения g-кванта с возбуждением активационного уровня, Г0i и Гm – соответственно полная и парциальная (для перехода на изомерный уровень) приведенные радиационные ширины.

Сечение возбуждения активационных уровней определяется известной формулой Брейта – Вигнера:

(2)

где l - длина волны g-излучения, Jg и J0 – спины основного и активационного уровней, Г0 и Га – полная и парциальная (для перехода в основное состояние) приведенные ширины активационных уровней.

Из выражений (1) и (2) видно, что сечение возбуждения изомеров зависит как от энергетического спектра активационных уровней, так и от их радиационных характеристик, что определяется структурой выбранного ядра.

Возбуждение изомерных уровней в ядрах может происходить и без поглощения реальных g-квантов, а при электромагнитном взаимодействии ядра с электронной оболочкой. Энергия, соответствующая переходу электрона в атоме с одной орбиты на другую, может выделяться не в испускании g-кванта, а в передаче непосредственно ядру с возбуждением активационного уровня и последующим переходом в изомерное состояние.

Девозбуждение изомерных состояний является более сложным процессом и может осуществляться различными способами.

1. Спонтанный (самопроизвольный) распад с испусканием кванта электромагнитного излучения и с переходом в основное или более низколежащее состояние.
2. Передача энергии возбуждения атомному электрону (внутренняя конверсия g-излучения).

Эти два процесса протекают самопроизвольно, без внешнего воздействия на атомное ядро. Вероятность их зависит от энергии изомерного уровня, его квантовых характеристик, нуклонных конфигураций.

Кроме самопроизвольного распада разрядка изомерных состояний может происходить при взаимодействии ядра с внешним электромагнитным полем.

1. Поглощение кванта электромагнитного излучения, возбуждение активационных уровней и радиационный переход с них в основное состояние. Этот путь идентичен рассмотренному выше процессу возбуждения изомеров.
2. Индуцированный переход в результате взаимодействия с ядром внешнего электромагнитного поля. Вероятность этого процесса резко возрастает в случае резонанса, когда частота внешнего электромагнитного поля совпадает с частотой радиационного перехода с изомерного уровня в основное или промежуточное состояние.

Соотношение между вероятностями этих процессов определяется коэффициентами Эйнштейна для спонтанного А и вынужденного В излучения и интенсивностью g-квантов. Связь между этими коэффициентами:

(3)

где w – частота излучения, с – скорость света, h – постоянная Планка. Коэффициент А обратно пропорционален времени жизни уровня t (А = t-1).

Источники электромагнитного излучения, используемые при возбуждении и девозбуждении изомеров. Сравнительно низкая энергия как изомерного, так и активационного уровней требует для их возбуждения (или девозбуждения) и электромагнитного излучения небольшой энергии (обычно она не превышает несколько МэВ). Поэтому источники такого излучения достаточно разнообразны:

1. Радиоактивные источники g-излучения высокой интенсивности (до 1015 Вк). Наиболее часто используются источники 137Cs (Eg = 0,662 МэВ) и 60Cо (Eg = 1,117 МэВ и 1,331 МэВ). Из-за неупругого рассеяния этих g-квантов на окружающих материалах возникает интенсивный поток g-излучения сплошного спектра, в котором, естественно, имеются g-кванты с энергией, соответствующей резонансному возбуждению активационных уровней.
2. Тормозное излучение электронов, которое возникает при изменении скорости электрического заряда при его движении в веществе. Спектр тормозного излучения представляет собой спадающую функцию (I ~ E-2) c резко выраженной направленностью вперед. Изменяя энергию ускоренных электронов, можно варьировать граничную энергию спектра и таким образом определять зависимость сечения возбуждения изомеров от энергии g-излучения. Современные ускорители электронов с интенсивностью пучка в десятки миллиампер позволяют получать потоки g-квантов до 1016 с-1.
3. Синхротронное излучение в отличие от тормозного возникает при изменении траектории электронов высокой энергии в магнитном поле. Его спектр включает набор гармоник, наиболее жесткая из которых имеет энергию:

   (4)

   где Ee, m и R - соответственно энергия, масса электрона и радиус кривизны его траектории в магнитном поле. Тормозное излучение характеризуется очень высокой интенсивностью (до 1018 1/с для узкого интервала энергии) и острой направленностью (раствор угла менее 1o).
   Однако для получения тормозного излучения с энергией, достаточной для возбуждения изомерных уровней (E > 10 кэВ) требуются электроны с энергией в области нескольких ГэВ. Такие электроны получают на ускорителях высокой энергии, которые являются уникальными и дорогостоящими установками. Поэтому, несмотря на очевидные преимущества синхротронного излучения перед тормозным, оно еще сравнительно редко используется для возбуждения ядерных изомеров.

4. Высокотемпературная плазма, получаемая при взаимодействии с веществом мощного пучка электронов или лазерного излучения, также может использоваться для возбуждения и девозбуждения изомеров. Например, при плотности лазерного излучения выше 1016 Вт/см2 электронная температура плазмы превышает 106 К, и она становится источником g-излучения с энергией до нескольких десятков кэВ. Особенность этого источника излучения в том, что изучаемые ядра входят в состав плазмы, поэтому их взаимодействие с электромагнитным излучением более эффективно. Это особенно проявляется при передаче энергии от возбужденного атома или иона непосредственно ядру.

Обзор экспериментальных данных. Возбуждение метастабильных ядерных состояний при неупругом рассеянии g-излучения имеет давнюю история. Оно наблюдалось впервые в 1938 г. Б. Понтекорво, работавшим в то время в Италии, в Римском университете [1]. При облучении индия тормозным излучением электронов с энергией 1,8 МэВ происходило возбуждение уже известного к тому времени изомера в ядре 115In с энергией 336 кэВ и спином и четностью Ip = ½+. Изменяя энергию электронов, они показали, что возбуждение изомера происходит через активационные состояния с энергией в районе 1МэВ. Эти исследования быстро получили широкое развитие, и еще в довоенные годы были проведены эксперименты по возбуждению изомеров под действием тормозного излучения в целом ряде ядер.

К настоящему времени этот эффект исследован практически для всех стабильных ядер, имеющих изомерные состояния. Результаты этих исследований систематизированы в обзорах [2,3]. Установлено, что практически во всех случаях возбуждение изомеров происходит через высоколежащие активационные уровни. Эти уровни связаны с основным состоянием радиационными переходами низкой мультипольности (Е1, М1, Е2), а их парциальная ширина для такого перехода составляет заметную долю о полной. Поэтому сечения их возбуждения, определяемые выражениям (1), (2) могут быть достаточно большими (в резонансе они могут достигать 104 барн). Заселение изомерного состояния при разрядке активационных уровней происходит в результате эмиссии либо одного g-кванта, либо, что наблюдается чаще, каскада g-квантов. Последнее имеет место обычно при значительной разнице спинов изомерного и основного состояний (DJ >= 4).

Проведенные эксперименты показали, что возбуждение изомерных состояний происходит через сравнительно небольшое число активационных уровней. В некоторых ядрах активационные уровни отождествлены с известными состояниями. Знание их квантовых характеристик позволяет рассчитать сечение возбуждения изомеров через эти уровни, и обычно измеренные на опыте сечения согласуются с расчетом. Однако в целом ряде ядер сечения возбуждения изомеров оказываются аномально большими, и основной вклад в процесс возбуждения вносят лишь несколько активационных уровней с энергиями 2,5 – 4,4 МэВ [4,5]. Эти уровни характеризуются необычно большой приведенной шириной по отношению к радиационным переходам низкой мультипольности в основное состояние. Они в десятки раз выше типичных приведенных ширин для аналогичных переходов с основной массы возбужденных состояний. Наибольшими приведенными ширинами характеризуются активационные уровни в деформированных тяжелых ядрах – 167Er, 176Lu, 180Ta. Природа этих уровней до конца не объяснена и требует дальнейших экспериментов и теоретических расчетов.

Значительно менее исследовано девозбуждение изомерных состояний при взаимодействии электромагнитного излучения с ядрами. Можно отметить лишь три случая. Достаточно подробно изучено лишь девозбуждение долгоживущего изомера 180Ta (Т1/2 >= 1015 лет, Jp = 9-, Em = 76 кэВ), который содержится в натуральной смеси изотопов, при взаимодействии его с тормозным излучением [6,7]. Показано, что девозбуждение протекает преимущественно через активационные состояния с энергиями 1,0; 2,8 и 3,6 МэВ с сечением, наибольшим из всех наблюдаемых. Подобный процесс наблюдался и для изомера 99Тс (Т1/2 = 6,0 час, Jp = ½-, Em = 145 кэВ) [8]. Низкая энергия радиационного перехода с этого изомера (всего 2,17 кэВ) и большое сечение девозбуждения позволяют предполагать, что значительный вклад в процесс девозбуждения вносит резонансное электромагнитное взаимодействие с электронной оболочкой атома. Данные о девозбуждении изомера 178Hf (Т1/2 = 31 год, Jp = 16+, Em = 2,447 МэВ) излучением противоречивы. Положительный результат в работе [9], где использовалось тормозное излучение, не подтвердился в последующем эксперименте [10] с синхротронным излучением.

Важнейшие результаты исследований, проводимых в России. Ученые Советского Союза, а впоследствии и России внесли существенный, а в ряде случаев и определяющий вклад в исследования как свойств метастабильных ядерных состояний, так и процесса их возбуждения и девозбуждения при взаимодействии ядер с электромагнитным излучением. Явление ядерной изомерии в искусственно радиоактивных ядрах было открыто в 1935 г. советскими физиками И.В. Курчатовым, Б.В. Курчатовым, Л.В. Мысовским и Л.И. Русиновым. При облучении 79Br нейтронами наблюдалось два радиоактивных излучателя с различными периодами полураспада (18 мин. И 4,4 час.) [11]. Один из этих излучателей принадлежал основному состоянию ядра 80Br, а другой – изомерному. Это открытие положило начало широкому исследованию ядерной изомерии, как в СССР, так и в зарубежных странах. Первые успешные эксперименты по возбуждению изомеров при неупругом рассеянии g-излучения в СССР были выполнены в 1939 г. М.И. Корсунским с сотрудниками в Харьковском физико-техническом институте [12]. В 1962 г. в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) С.М. Поликановым с сотрудниками был открыт новый тип ядерной изомерии – изомерия формы [13]. Особенность этих изомеров в том, что они характеризуются необычно высокой квадрупольной деформацией, что приводит к большому запрету для g-переходов, но в то же время к резкому усилению вероятности спонтанного деления. Этот способ распада и является преобладающим для таких изомеров (спонтанно делящихся изомеров).

Ниже приводится перечень научных организаций, где проводятся (или проводились) исследования процессов возбуждения или девозбуждения ядерных изомеров при неупругом рассеянии электромагнитного излучения и основные направления этих исследований.

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова – неупругое рассеяние тормозного излучения с возбуждением широкого спектра уровней ядер, возбуждение изомеров в высокотемпературной лазерной плазме.

Институт физических проблем им. П.Л. Капицы (г. Москва) - исследования спонтанно делящихся изомеров (изомеров формы) при неупругом рассеянии g-квантов.

Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (г. Москва) - возбуждение изомеров с низкой энергией возбуждения интенсивным пучком электронов.

Институт радиоэлектроники и автоматизации (г. Москва) – расчеты сечений девозбуждения изомерных состояний при взаимодействии мощного лазерного излучения с ядрами.

Санкт_Петербургский государственный университет – возбуждение изомеров с короткими периодами полураспада (< 10-3 с) при неупругом рассеянии тормозного излучения бетатрона, а также расчеты процессов возбуждения изомеров при взаимодействии ядра с электронной оболочкой атома.

Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна) – возбуждение и девозбуждение высокоспиновых изомеров при неупругом рассеянии тормозного излучения микротрона, исследования свойств спонтанно делящихся изомеров.

Институт электронной физики (г. Ужгород) – исследование неупругого рассеяния g-квантов с возбуждением изомерных состояний широкого круга ядер.

Институт ядерной физики (г. Ташкент) – возбуждение изомерных состояний при неупругом рассеянии g-квантов радиоактивного источника 60Со.

Основные результаты, полученные в этих организациях:

1. Детально изучена зависимость вероятности возбуждения изомеров от разницы угловых моментов изомерного и основного состояния ядра.
2. В ряде ядер идентифицированы активационные уровни, определены их квантовые характеристики и нуклонные конфигурации.
3. Обнаружено быстрое ослабление запрета для заселения изомеров по квантовому числу К (проекции спина ядра на его ось симметрии) с ростом энергии возбуждения.
4. Установлен необычный характер возбуждения спонтанно делящихся изомеров – сильная зависимость от энергии возбуждающего g-излучения ниже барьера деления и выход на плато выше барьера.
5. Показана возможность возбуждения изомеров в высокотемпературной плазме, образуемой интенсивными пучками электронов или лазерного излучения.
6. Рассчитаны процессы взаимодействия мощного лазерного излучения с атомами и ядрами, приводящие к возбуждению и девозбуждению изомеров, и предложены схемы для их осуществления.

Перечисленные результаты оказали существенное влияние на развитие наших представлений о неупругом взаимодействии электромагнитного излучения с ядрами с возбуждением метастабильных состояний. Они представили большой объем экспериментальных данных о свойствах изомерных состояний (их квантовых характеристиках и нуклонных конфигурациях) и сечениях их возбуждения. Это позволило судить о механизме возбуждения ядерных изомеров и о связи способов заселения изомеров со структурой ядра.

В процессе выполнения этих исследований в указанных научных организациях сложились коллективы высококвалифицированных специалистов, способных решать самые сложные проблемы. Эти коллективы, как правило, достаточно полно укомплектованы научным оборудованием – источниками тормозного излучения (ускорителями электронов – микротронами и бетатронами) и детекторами g-квантов и электронов. Это означает, что отечественный потенциал в данном научном направлении достаточно высок и способен вести исследования на высоком уровне.

Однако необходимо отметить, что имеющиеся ускорители электронов являются в значительной степени устаревшими. Они сооружены, как правило, 20 – 30 лет назад и их параметры (интенсивность, стабильность энергии) отстают от требований сегодняшнего дня. В наибольшей же степени исследования ограничивает недостаток образцов, обогащенных исследуемыми изотопами. Хотя разделенные изотопы и производятся в России, высокая цена не позволяет из-за ограниченных средств получать их в достаточных для успешных экспериментов количествах (это касается в первую очередь редких изотопов, содержание которых в натуральной смеси не превышает нескольких процентов – 123Te, 176Lu, 180Ta).

2. Исследования, финансируемые РФФИ

Направления исследований. Поскольку РФФИ функционирует всего 10 лет, то основная часть перечисленных выше результатов по исследованию неупругого рассеяния электромагнитного излучения с возбуждением изомерных состояний была получена без финансирования со стороны РФФИ. Кроме того, достаточно жесткая конкуренция в получении грантов РФФИ стимулировала проведение исследований с большими элементами новизны в противоположность продолжению традиционных, проводившихся уже на протяжении многих лет. Поэтому исследования, финансируемые РФФИ, касались в основном либо еще нерешенных проблем, либо тех направлений, которые позволили бы получить принципиально новые данные о характере взаимодействия электромагнитного излучения с ядрами или обещали их практическое применение. Такими нерешенными проблемами и направлениями исследований являлись:

1. Девозбуждение изомерных состояний через активационные уровни при неупругом рассеянии тормозного или синхротронного излучения. Эти уровни, связанные радиационными переходами и с основным и изомерным состояниями, могут характеризоваться необычными свойствами. Они слабо проявляются в других процессах и девозбуждение изомеров может оказаться наиболее эффективным путем их исследования.
2. Возбуждение и девозбуждение изомеров в высокотемпературной лазерной плазме. Уникальные свойства этой плазмы (высокая концентрация вещества и излучения в очень коротком импульсе – до 10-12 с) позволяют перейти к исследованиям изомеров с малыми временами жизни (до наносекунд). Это существенно дополнит наши представления об изомерах и связанных с ними особенностях ядерной структуры.
3. Возбуждение и девозбуждение изомеров при взаимодействии ядра с электронной оболочкой атома. В этих процессах можно ожидать различные резонансные эффекты, которые резко усиливают их вероятность. Это позволило бы влиять на скорости внутренних процессов, что открывает широкие перспективы практического использования.

Указанные направления исследований были поддержаны РФФИ на протяжении последних пяти лет (1996 – 2001 г.г.), и эта поддержка позволила существенно повысить уровень проведенных работ.

Создание изомерных мишеней. Первым шагом на пути исследования процесса девозбуждения изомеров при неупругом рассеянии электромагнитного излучения является создание мишеней, состоящих из ядер в изомерном состоянии. Подобные исследования осложняются тем, что в мишени обычно присутствует значительное количество ядер в основном состоянии, т.к. реакции получения изомеров никогда не бывают селективными. Низкая энергия возбуждения изомеров и, следовательно, малая разница масс ядер в изомерном и основном состояниях, не позволяет использовать масс-сепаратор для их разделения. Поэтому образующиеся при девозбуждении изомеров ядра в основном состоянии будут наблюдаться на фоне уже имеющихся в мишени, и это существенно снижает чувствительность измерений.

Для эффективного разделения ядер в изомерном и основном состояниях и создание изомерной мишени высокого обогащения можно использовать их различие в периодах полураспада. Если для основного состояния он достаточно мал (например, меньше нескольких дней), то через определенное и достаточно короткое время все ядра в основном состоянии распадутся, и в мишени останутся только долгоживущие ядра в изомерном состоянии. После химической очистки от других элементов и отделение на масс-сепараторе от других изотопов того же элемента, которые также образуются в реакции, можно получить образец, содержащий только ядра изомера. Образующиеся в результате девозбуждения изомеров ядра в основном состоянии будут иметь из-за их коротких периодов полураспада высокий уровень радиоактивного излучения, что обеспечит хорошую чувствительность измерений и позволит наблюдать эффекты с низкими сечениями реакций.

Описанный способ был реализован в работе [14] (грант РФФИ 96-02-17747, руководитель В.Е.Жучко) на примере целого ряда ядер – 108Ag, 121Sn, 166Ho, 186Re, 192Ir. В случае 108Ag и 166Ho были получены образцы, содержащие соответственно 6 Ч 1017 и 2 Ч 1015 ядер в изомерном состоянии, а примесь ядер в основном состоянии была менее 10-6.

Девозбуждение изомеров. Мишени из ядер 108Ag и 166Но в изомерном состоянии были использованы в экспериментах по их девозбуждению на пучке тормозного излучения микротрона Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Граничная энергия тормозного спектра в этих экспериментах изменялась от 5 до 7 МэВ. Идентификация образующихся при девозбуждении изомеров ядер в основном состоянии производилась по их b-излучению и периоду полураспада. Их энергия b-излучения была заметно больше, чем у изомеров, и это позволяло эффективно разделять излучение, испускаемое из основного и изомерного состояний.

В проведенных экспериментах после облучения образцов изомеров 108Ag и 166Но на пучке микротрона наблюдалось появление жесткого b-излучения с периодами полураспада, соответствующими основным состояниям указанных ядер. Это служило указанием на осуществление процесса девозбуждения изомеров при их взаимодействии с тормозным излучением и подтверждало перспективность описанного метода. Путь девозбуждения изомеров связан, по-видимому, с возбуждением высоколежащих активационных уровней с последующими радиационными переходами в основное состояние. Планируются эксперименты по идентификации и определению квантовых характеристик активационных уровней.

Поскольку девозбуждение изомеров связано с выделением энергии, то представляется заманчивым найти условия, при которых девозбуждение вызывалось бы g-квантами с минимальной энергией, а малая вероятность этого процесса была компенсирована их высокой интенсивностью. В этом случае g-кванты, испускаемые при девозбуждении изомера, имели бы энергию, большую, чем инициирующее девозбуждение. Источником инициирующих квантов могли бы служить мощные импульсные лазеры или высокотемпературная плазма. В первом случае излучение является монохроматическим с длиной волны в оптическом диапазоне (или энергие фотона 1 – 5 эВ)и с интенсивностью в импульсе до 1028 1/с. В случае плазмы интенсивность излучения на несколько порядков ниже, но спектр энергий значительно шире (до нескольких кэВ).

Из выражений (1) и (2) следует, что девозбуждение изомеров оказывается достаточно большим лишь в случае резонансного возбуждения активационных уровней. Это означает, что активационные уровни должны располагаться достаточно близко от изомерного состояния и связаны с ним радиационными переходами низкой мультипольности (Е1, М1, Е2). Однако такие случаи оказываются очень редкими, и это усложняет, естественно, проблему девозбуждения изомеров. Анализ такого процесса девозбуждения и выбор наиболее подходящих для этого ядер рассмотрены в работах [15,16], поддержанных грантом РФФИ № 96-02-17686. Показано, что в случае известных изомеров пока еще не обнаружено активационных уровней, удовлетворяющих указанным условиям, поэтому необходимы дальнейшие исследования в этом направлении.

Возбуждение изомеров в лазерной плазме. Рассмотренные выше процессы неупругого рассеяния электромагнитного излучения изучались на ускорителях электронов, которые и служили источниками этого излучения. Однако большой интерес представляет использование других источников излучения, в первую очередь высокотемпературной плазмы.

Создание мощных импульсных лазеров (их плотность мощности может достигать 1020 Вт/см2) позволило получать высокотемпературную плазму при помощи светового излучения. В случае большой мощности плазма образуется непосредственно при взаимодействии излучения с поверхностью твердого тела. При достаточно высокой температуре (T > 104 K) плазма состоит в основном из ионов и электронов.

Существует два способа повышения мощности лазерного излучения – увеличение объема рабочего тела, в котором происходит генерация излучения, и сокращение длительности импульса. В исследованиях изомеров более предпочтителен второй способ. К настоящему времени длительность импульса может быть доведена до 100 фс (10-13 с), что при энергии излучения в импульсе приводит к плотности мощности 1018 Вт/см2. При такой плотности мощности средняя энергия электронов составляет несколько кэВ. Однако из-за максвелловского распределения скоростей электронов и взаимодействия их с электромагнитным полем, индуцируемым лазерным излучением заметное число электронов имеет существенно большую энергию (вплоть до сотен кэВ). Эти электроны являются источником жесткого рентгеновского излучения с непрерывным спектром. При этом длительность вспышки излучения g-квантов с энергиями выше 5 кэВ составляет всего 2 – 3 пс, что много короче времени жизни изучаемых изомеров. Поэтому измерения рентгеновского и g-излучения можно проводить после окончания импульса лазера и вспышки излучения плазмы при низком уровне фона и таким образом эффективно разделять процессы облучения и измерения даже в случае таких коротко живущих изомеров.

Другой особенностью рассматриваемого метода является то, что изучаемые ядра находятся в плазме и эффективно взаимодействуют с излучением. Эти особенности и определяют преимущество данного метода в возбуждении короткоживущих изомеров перед использованием тормозного и синхротронного излучения ускорителей электронов, несмотря на его более низкую интенсивность жестких g-квантов.

Анализ процесса возбуждения изомера 201Hg c аномально низкой энергией возбуждения (1,58 кэВ) излучением лазерной плазмы представлен в работе [17]. Показано, что использование лазерного излучения с длительностью импульса в диапазоне фемтосекунд позволяет провести успешный эксперимент по возбуждению этого изомера, однако излучение, испускаемое при его распаде, неудобно для измерений.

Используя этот метод был проведен успешный эксперимент по возбуждению изомера в ядре 181Ta [18]. Обе эти работы (анализ и эксперимент) были поддержаны грантами РФФИ № 96-02-19146, № 97-02-17013 (руководитель А.В. Савельев-Трофимов) и № 98-02-16070 (руководитель Е.В. Ткаля). Характеристики изучаемого изомера: 181Та (Т1/2 = 6,8 мкс, Ip = 9/2-, Em = 6,21 кэВ). В эксперименте использовался лазер на красителе с длиной волны 600 нм и длительностью импульса 200 фс. Плотность мощности излучения на мишени составляла (1 – 5) Ч 1016 Вт/см2, что приводило к эффективному образованию плазмы со вспышкой рентгеновского излучения длительностью 2 – 3 пс. Доказательством возбуждения изомера 181Та служила эмиссия рентгеновского и g-излучения с энергиями, соответствующими приведенным выше характеристикам изомера, после окончания вспышки излучения плазмы.

Возбуждение изомеров в этом ядре может происходить различными способами:

1. Описанным выше способом через активационные уровни. Самыми низкими из них являются в 181Та уровни с Еg = 136,25 кэВ и Ip = 9/2+ и с Еg = 301,51 кэВ и Ip = 11/2+. Эти уровни связаны с основным состоянием соответственно Е1 – радиационными переходами и при испускании одного g-кванта заселяют изомерный уровень.
2. В плазме большинство ионов находятся в возбужденном состоянии и их энергия возбуждения может быть передана ядру (подробнее этот процесс рассматривается ниже).
3. Неупругое рассеивание электронов на ядрах с возбуждением как активационных, так и непосредственно изомерных уровней.

Расчеты с использованием известных характеристик изомерных и активационных состояний и свойств образующейся плазмы показали, что наиболее вероятным является первый способ – возбуждение через активационные уровни. Рассчитанный для этого способа возбуждения выход изомера 181Та оказался того же порядка, что и наблюдаемый в экспериментах.

Полученные результаты по возбуждению изомеров позволяют заключить, что использование высокотемпературной плазмы, получаемой при взаимодействии с веществом мощного лазерного импульса фемтосекундной длительности, открывает новые перспективы в исследовании изомеров с очень малыми временами жизни (до 10-9 с). Для таких изомеров этот способ имеет определенные преимущества по сравнению с использующими тормозное или синхротронное излучение из-за более короткого импульса излучения.

Высокотемпературная лазерная плазма может использоваться и для других ядерных реакций – слияния взаимодействующих ядер, деления тяжелых ядер, реакции передачи и обмена нуклонами. Образующиеся в плазме ионы с большим зарядом могут ускоряться в индуцируемых лазерным излучением сильных электрических и магнитных полях до энергий в несколько десятков МэВ, которые достаточны для протекания указанных ядерных реакций. При дальнейшем увеличении мощности лазерного излучения это способ может успешно конкурировать с ускорителями тяжелых заряженных частиц. Характер возможных реакций и необходимые для этого параметры лазерного излучения рассчитаны в работе [17], поддержанной грантом РФФИ № 00-02-16063 (руководитель В.Ю.Быченков).

Взаимодействие с электронной оболочкой атома. Скорости целого ряда ядерных процессов существенно изменяются при электромагнитном взаимодействии ядра с электронной оболочкой атома. Одним из примеров такого рода служит процесс внутренней конверсии g-излучения, в котором энергия возбуждения ядра передается одному из атомных электронов. В результате этого скорость распада увеличивается, а время жизни уровня падает. В ряде случаев это изменение (особенно при малых энергиях возбуждения и высоких мультипольностях перехода) может составлять несколько порядков.

Еще большего изменения можно ожидать в случае резонанса, когда совпадают энергии изомерного уровня ядра и электронной оболочки атома (дискретная внутренняя конверсия g-излучения). При резонансе электрон не вылетает из атома, а переходит из основного состояния на возбужденный уровень. Отношение вероятностей дискретной конверсии и излучения ядром g-кванта (аналог коэффициента обычной внутренней конверсии) определяется выражением:

(5)

где Еg и Ее – энергия ядерного и атомного уровней, Г0 – ширина ядерного уровня, a – матричный элемент перехода между атомными уровнями. Из выражения (5) видно, что вероятность дискретной конверсии зависит в основном от разности энергии ядерного и атомного уровней, т.е. расстройки резонанса. Детальные расчеты процесса дискретной конверсии представлены в работах [18,19], поддержанных грантами РФФИ № 96-02-16200 (руководитель Е.В. Ткаля) и № 99-02-17559 (руководитель Ф.Ф. Карпешин).

Однако наличие резонанса между ядерными и атомными переходами является чрезвычайно редким случаем, т.к. в атоме это должен быть переход из К-оболочки на один из дискретных уровней. В Нейтральном атоме все уровни заполнены за исключением узкого интервала от основного состояния до порога ионизации, что составляет всего несколько эВ. К тому же эти уровни очень узкие (их полная ширина не превышает 10-7 эВ).

Положение существенно улучшается, если рассматривать не нейтральный атом, а водородоподобный ион (ион с одним электроном на К-оболочке). В таком ионе все уровни свободны и они имеют большую приведенную ширину (10-3 – 10-1 эВ в зависимости от атомного номера элемента). Поэтому вероятность резонанса возрастает на много порядков и эффект уже можно наблюдать.

Другим способом повышения вероятности дискретной конверсии является компенсация расстройки резонанса с помощью индуцированного испускания (или поглощения) кванта светового излучения лазера. Его энергия лежит в диапазоне эВ и в ряде случаев достаточна для достижения резонанса. Расчеты этого процесса представлены в работах [19,20], которые поддержаны грантами РФФИ № 96-02-18039 (руководитель И.М. Банд).

Изменение энергии атомного уровня с приближением к резонансу можно осуществить и последовательной ионизацией внешних оболочек атома. При последовательном удалении каждого электрона энергия выбранного для резонанса уровней растет на несколько десятых эВ и таким образом при достаточно большой степени ионизации можно заметно приблизиться к резонансу [21]. Этот эффект был продемонстрирован на примере девозбуждения изомерного состояния в ядре 125Те, где коэффициент внутренней конверсии изменялся в зависимости от степени ионизации атома 125Те [22].

Изомеры и с аномально низкой энергией возбуждения. Как отмечалось выше, крайне малая вероятность появления резонанса между ядерными и атомными радиационными переходами объясняется тем, что они лежат в разных энергетических диапазонах – ядерные в диапазоне кэВ и МэВ, а атомные – эВ. Однако существуют два ядра с аномально низкими изомерными уровнями – в ядре 235U c энергией 70 эВ (Т1/2 = 26 мин, Ip = 1/2-) и в 229Th c энергией 3,5 эВ (Ip = 3/2-, период полураспада неизвестен). Можно ожидать, что в случае этих изомеров будет наиболее четко проявляться взаимодействие между ядром и электронной оболочкой и наиболее легко удастся достигнуть резонансного девозбуждения этих уровней. Поэтому указанные изомеры, в особенности 229Th, являются объектами интенсивных исследований, касающихся как определения их характеристик (время жизни, способы распада), так и возможностей их возбуждения и девозбуждения.

Однако все эти опыты оказались безуспешными. В ядре 235U возбуждение изомера происходило не при захвате g-квантов на активационные уровни с последующим заселением изомерного состояния, а при неупругом рассеянии электронов. В случае ядра 229Th не удалось наблюдать ни одного пути разрядки изомерного уровня, из-за чего невозможно судить и о его возбуждении при взаимодействии с электромагнитным излучением.

Поэтому в настоящее время исследования этих изомеров находятся на этапе обсуждения различных предложений, касающихся их путей распада и способов возбуждения. В работе [23], поддержанной грантом РФФИ № 01-02-16199 (руководитель Е.В. Ткаля) обсуждается возбуждение изомера 229Th при неупругом рассеянии синхротронного и лазерного излучения. Другой способ – резонансное возбуждение через электронную оболочку атома – обоснован в работе [24], поддержанной грантом РФФИ № 99-02-17550 (руководитель Ф.Ф. Карпешин). Рассчитан процесс возбуждения для резонанса между ядерным переходом с основного состояния на изомер и атомным переходом 7s ® 8s. После передачи энергии возбуждения от атома ядру атом спонтанно возвращается в основное состояние и может быть возбужден снова. В результате последовательной серии таких ступеней (возбуждение – девозбуждение) можно перевести значительную часть ядер 229Th из основного состояния в изомерное и получить образец с высоким содержанием изомера.

Заключение. Практически все перечисленные результаты, полученные в работах, поддержанных РФФИ, находятся на переднем крае науки. Они характеризуются высокой степенью оригинальности используемой методики и новизной полученных данных. Из них в первую очередь необходимо отметить возбуждение короткоживущих изомерных состояний излучением высокотемпературной лазерной плазмы, развитие новых представлений о девозбуждении изомеров при резонансном взаимодействии ядер с внешними электромагнитными полями и электронной оболочкой атома. Все эти работы вызывают неизменный интерес у ученых, занимающихся подобными проблемами, и они оказывают активное воздействие на развитие исследований метастабильных состояний в ядрах, как в России, так и за рубежом.

Хотя все рассмотренные выше исследования носят фундаментальный характер, в будущем можно рассчитывать и на практическое применение полученных результатов. Создание образцов из изомерных ядер с возможностью их регулируемого девозбуждения откроет путь к компактным и очень энергоемким источникам энергии, выделяемой в виде b– или g-излучения. Плотность энергии в таких источниках может составлять десятки мегаджоулей на грамм. Это, хотя и на два порядка ниже энергии, выделяющейся при делении ядер, но в тысячи раз выше, чем для углеводородного топлива. Полученные закономерности процессов возбуждения и девозбуждения изомеров, возможно, будут полезны при проектировании лазеров, генерирующих излучение с очень короткой длиной волны (g-лазеры).

3. Соответствие проектов РФФИ актуальным проблемам

Как уже отмечалось, основная направленность проектов, поддержанных РФФИ, связана с исследованием процессов девозбуждения изомеров под действием внешних электромагнитных полей. Эти направления исследований относятся к наиболее актуальным проблемам ядерной физики. Они позволяют получить новую и зачастую уникальную информацию о ядерной структуре (обнаружения необычных ядерных состояний, проявляющихся как активационные уровни при девозбуждении изомеров) и о взаимодействии электромагнитного излучения с ядрами (резонансное взаимодействие через электронную оболочку атома).

Ядерные изомеры также являются удобными объектами для наблюдения за различными эффектами, возникающими при воздействии на вещество предельно высоких температур, давлений, электрических и магнитных полей. В перспективе все эти исследования могут привести к новым многообещающим практическим разработкам. К ним можно отнести создание компактных источников энергии, g-лазеров. Все это позволяет говорить о соответствии проблематики работ, поддержанных РФФИ, актуальным проблемам ядерной физики.

Успешно развивающиеся научные школы, работающие в этом направлении (МГУ, ЛГУ, МИРЭА, ИАЭ), как правило, имеют гранты РФФИ. Отсутствие грантов РФФИ у некоторых групп, например, в МГУ или ЛГУ, связано скорее не с неактуальностью тематики их исследований, а скорее с использованием других форм финансирования.

Литература

1. Pontecorvo B., Lazard A., Comp. Rend. Fcfd. Sci., Paris, 208(1938)99.
2. Гангрский Ю.П., Тончев А.П., Балабанов Н.П., ЭЧАЯ, 27(1996)21.
3. Гангрский Ю.П., Мазур В.М., ЭЧАЯ, 33(2002)247.
4. Carroll J.J., Byrd M.J., Richmond D.C. et. al., Phys. Rev. C, 43(1991)1238.
5. Collins C.B., Carroll J.J., Taylor K.N. et. al., Phys. Rev. C, 46(1992)952.
6. Belov A.G., Gangrsky Yu.P., Tonchev A.P., Zuzaan P., Hyp. Int., 107(1997)167.
7. Karamian S.A., Collins C.B., Carroll J.J., Adam J., Phys. Rev. C, 57(1998)1812.
8. Bikit J., Anicin I.V., Krmar M. et. al., J. Phys. G, 19(1993)1359.
9. Collins C.B., Davanloo F., Rusu A.C. et. al., Phys. Rev. C, 61(1999)054305.
10. Ahmad I., Banar J.C., Becker J.A. et. al., Phys. Rev. Lett., 87(2001)072503-1.
11. Kourchatow B., Kourchatow I., Misowski I., Rousinow L., Comp. Rend., 200(1935)1206.
12. Корсунский М.И., Ланге Ф.Ф., Шпинель В.С., ДАН СССР, 30(1941)401.
13. Поликанов С.М., Друин В.А., Карнаухов В.А. и др., ЖЭТФ, 42(1962)1464.
14. Гангрский Ю.П., Жучко В.Е., Новгородов А.Ф., Тончев А.П., Радиохимия, 40(1998)421.
15. Rivlin L.A., Laser Physics, 11(2001)12.
16. Zadernovsky A.A., Laser Physics, 11(2001)16.
17. Андреев А.В., Гордиенко В.М., Дыхне А.М. и др., Письма в ЖЭТФ, 66(1997)312.
18. Андреев А.В., Волков Р.В., Гордиенко В.М. и др., Письма в ЖЭТФ, 69(1999)343.
19. Быченков В.Ю., Тихончук В.Т., Толоконников Е.В., ЖЭТФ, 115(1999)2080.
20. Ткаля Е.В., Письма в ЖЭТФ, 35(1992)216.
21. Карпешин Ф.Ф., Листенгартен М.А., Банд И.М., Тржаковская М.Б., Изв. АН, сер. Физ., 58(1994)49.
22. Банд И.М., Изв. АН, сер. Физ., 65(2001)624.
23. Karpeshin F.F., Band I.M., Trzhakovskaya M.D., Nucl. Phys. A654(1999)579.
24. Harston M.R., Carreyre T., Chemin J.F., Karpeshin F.F., Nucl. Phys. A676(2000)143.
25. Tkalya E.V., Varlamov V.O., Lomonosov V.V., Nikitin S.B., Phys. Scr., 53(1991)296.
26. Karpeshin F.F., Band I.M., Trzhakovskaya M.D., Listengarten M.A., Phys. Lett. B, 372(1996)1.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center