Реакции с тяжелыми ионами предоставляют уникальную возможность получить ядра вблизи границ стабильности и проникнуть в область химических элементов второй сотни. В курсе рассматриваются основы физики тяжелых ионов, а также современные тенденции в исследовании ядерных реакций. Предметом курса является одно из новых направлений ядерной физики — физика тяжелых ионов, занимающаяся исследованием ядерных реакций, переходом одних ядер в другие, синтезом новых ядер. Физика тяжелых ионов позволяет изучать коллективные ядерные процессы, характеризуемые предельно большими изменениями ядерной формы, сильным перераспределением энергии между различными степенями свободы систем. Дана классификация ядерных реакций с тяжелыми ионами и их анализ с точки зрения новых изотопов у границ ядерной стабильности. Рассматриваются возможности современных ускорителей для синтеза ядер с использованием ядерных реакций с тяжелыми ионами. На примерах показана связь исследований в области физики тяжелых ионов с прикладными исследованиями: ядерная медицина, радиационная физика твердого тела. Отдельный модуль курса посвящен вопросам истории образования Вселенной с точки зрения физики элементарных частиц, ядерной физики. Обсуждается проблема нуклеосинтеза и непосредственная связь ядерно-физических экспериментов, с астрофизическими явлениями.
Физика экзотических ядер
Loading...
En provenance du cours de National Research Nuclear University MEPhI
Физика тяжелых ионов
notes
Rencontrer les enseignants
Пенионжкевич Юрий ЭрастовичДоктор физико-математических наук
Кафедра экспериментальных методов ядерной физики
Эта лекция посвящена физике экзотических состояний ядер.
В реакциях с тяжелыми ионами удается получать ядра
с экстремальными свойствами.
Это ядра с высокой температурой (так называемые горячие ядра),
это сверхсупердеформированные ядра (ядра с большой деформацией),
это сверхплотные ядра (ядра с высокой плотностью),
нейтронные и протонные ядра, и, наконец, сверхтяжелые ядра.
И я бы сказал, что только в реакциях с тяжелыми ионами
можно получить вот такие состояния ядер
с экстремальными свойствами, с экстремальными параметрами
ядерной материи.
Речь пойдет о методах получения этих ядер,
речь пойдет о свойствах некоторых ядер у границ
нуклонной стабильности.
Тяжелые ионы.
Что такое тяжелые ионы? Мы вот уже
вторую лекцию говорим о тяжелых ионах,
и я хотел бы сказать несколько слов
об основных представлениях, об основных понятиях
физики тяжелых ионов.
Вообще, тяжелые ионы — это ионы элементов с Z > 2
и A > 4, то есть ядра, тяжелее гелия,
все относят к тяжелым ионам.
Взаимодействие. Вот взаимодействие ядер
с тяжелыми ионами или ядро-ядерное взаимодействие
характеризуется коренной перестройкой
участвующих в реакции ядерных систем.
То есть во входном канале реакции у нас имеются
ядра с определенным Z и A, с зарядом и массой;
в выходном канале нуклонный состав этих ядер
в корне меняется и это все зависит от типа реакции,
от типа взаимодействия, от механизма
самого процесса взаимодействия.
Такое многообразие процессов приводит к тому, что
имеется большое многообразие ядерных реакций с тяжелыми ионами.
Это реакции слияния, реакции передачи,
реакции упругого и неупругого рассеяния и т. д., и т. п.
Эти сами по себе позволяют получать
важнейшую информацию о свойствах ядерной материи,
позволяют получать ядра и ядерную материю,
как я уже сказал, в экстремальных состояниях,
что и называется экзотическими ядрами,
экзотическими свойствами ядерной материи.
Таким образом, физика тяжелых ионов —
это прежде всего физика экстремальных ядерных состояний
и ядерных превращений, происходящих в экстремальных условиях.
Т. е. в экстремальных условиях — это при высокой энергии возбуждения,
при высоком угловом моменте, при высокой плотности и т. д.
Вот здесь на этом слайде показана
некая зависимость температуры ядра
в некоторых единицах 10 в 9 градусов Кельвина
от относительной энергии возбуждения
на нуклон в этих ядрах.
Видно несколько групп точек,
полученных экспериментально из измерений температуры этих ядер,
полученный треугольничек внизу — это точка,
полученная в Дубне при небольшой энергии возбуждения,
группа точек голубых — это точки, полученные
в Церне на ускорителе тяжелых ионов,
и, наконец, красные кружочки — это точки,
полученные в GSI в Дармштадте на ускорителе тяжелых ионов.
Интересная зависимость. Она показывает, что,
увеличивая энергию входную, увеличивая бомбардирующую энергию,
мы естественно меняем температуру образующегося ядра.
Температура эта ведет себя как некая зависимость exp(–E/T),
вот здесь нижняя формула, это зависимость
температуры от энергии до определенного момента.
В какой-то момент наступает насыщение температуры
до определенного уровня, до определенного момента
и, наконец, температура резко увеличивается.
Это чрезвычайно интересная зависимость,
поскольку раньше считалось, что, увеличивая
бомбардирующую энергию, мы тем самым увеличиваем температуру
пропорционально. Оказалось, что это не так,
что вот эта зависимость имеет некие неоднородности, нелинейности.
Это объяснили фазовыми переходами,
когда жидкая капля переходит в газ, в газообразное состояние.
Много дискуссий на эту тему было,
но пока другого объяснения этому не дано
и сейчас пытаются на более высокоэнергетических ускорителях
типа LHC получить более высокие точки
при более высокой энергии возбуждения, где
также ожидается перелом в этой плавной кривой
и следующий фазовый переход, когда газ переходит в плазму.
Это кварк-глюонная плазма.
Пока этот процесс не обнаружен, но
фундаментальная эта зависимость имеет очень важное значение,
например, для того, чтобы показать, что действительно
жидко капельная модель, она имеет место быть.
Жидкость переходит в газ,
так как это происходит с обычной жидкостью,
когда жидкость закипает, температура ее не увеличивается,
а потом резко, когда жидкость превращается в газообразное состояние,
температура ее увеличивается.
Вот пример того, какие температурные превращения
происходят с нагретым ядром.
И еще, вашему вниманию хочу предложить,
вот по вертикальной оси отложена температура
в градусах Кельвина.
Для примера: температура Солнца на несколько порядков ниже,
чем та температура, которая наблюдалась в ядре,
которая была получена в результате ядерных реакций,
в результате нуклон-нуклонных взаимодействий.
То есть, в лабораторных условиях мы сумели создать
температуру, которая гораздо выше, чем температура Солнца.
Следующая картинка говорит о том,
как меняется форма ядра, в зависимости от разных условий.
Мы видим, что может быть статическая деформация,
то есть ядро даже стабильное может быть деформировано,
и это определяет его свойство, положение энергетических уровней и т. д.
А может быть динамическая деформация, которая
создается в процессе взаимодействия двух ядер,
которая влияет на механизм реакции,
которая влияет на вероятность протекания реакции,
которая, в конечном итоге, влияет на стабильность образующихся ядер.
Вот такие формы ядер создаются
в результате реакции с тяжелыми ионами.
Таким образом, экзотические ядра определяются
высокой температурой, большим соотношением нейтронов
к массе ядра, или нейтронов к протонам,
и, наконец, высокой плотностью, когда при столкновении двух ядер
при большой температуре создается
сверхплотное состояние ядер, которые могут приводить
к необычным свойствам ядерной материи.
Вот эта трехмерная зависимость,
которая говорит о фазовых переходах ядерной материи,
о изоспиновой зависимости, об изменении плотности.
Это очень важные параметры, которые меняют в корне
наше представление о ядерной материи.
Не обсуждая плотности и температуры,
которые характерны для высоких энергий, таких энергий,
которые получаются на коллайдерах, в частности в LHC в Церне,
я хотел бы остановиться более подробно на одной из осей.
Это изоспиновая зависимость,
то есть соотношение числа протонов и нейтронов в ядрах.
Как уже отмечалось в первой лекции,
протон-нейтронные диаграммы имеют вот такой вид.
Это красной стрелой показана область стабильных ядер,
розовая залитая область — это область известных ядер,
и, наконец, вот эти темные области —
это область неизвестных ядер, которых в настоящее время
больше 5000, и которые надо получать и изучать.
И вот здесь, в этих областях, близких к нейтронной стабильности,
начинает проявляться так называемый ядерный экзотизм,
который приводит к нейтронным звездам;
приводит к новым формам деформации;
который приводит к новым видам распада,
в том числе протонным, двупротонным распадам, кластерным распадам.
То есть распад ядра с вылетом тяжелых кластеров
наконец приближает нас к образованию нейтронной материи,
что очень важно для макропроцессов,
для экстраполяции свойств ядер в макромир.
Вот карта ядер и границы ядерной стабильности.
Очень важно определить вот эту самую границу ядерной стабильности,
где кончается ядерная стабильность
или стабильность по отношению к нуклонному распаду,
и начинается область или море, как мы говорим,
нестабильных ядер, где ядра в принципе не существуют.
Вот я сказал, что в настоящее время известно около 3000,
это область, отмеченная зеленым цветом.
И существует область ядер,
которая насчитывает около 10000 неизвестных ядер,
которые предстоит синтезировать, предстоит определить их роли,
предстоит определить их влияние на свойства ядерной материи.
Физика с экзотическими ядрами.
Физика с экзотическими ядрами включает
самые различные направления.
Это направления от легких, легчайших ядер,
супернейтронно избыточных, то, что приближает
нас к нейтронным звездам.
Это ядра с необычными свойствами, необычными размерами,
это ядра с нейтронным и протонным гало,
которые имеют тоже необычные свойства,
особенно проявляющиеся при взаимодействии
с другими ядрами.
Наконец, это ядерная астрофизика,
это задачи, связанные с приложением этой физики
с экзотическими ядрами, сверхтяжелые элементы,
о которых шла речь, для которых в принципе
острова стабильности можно достичь
с использованием реакции с экзотическими ядрами и т. д., и т. п.
То есть целое направление связано с этой новой физикой,
физикой тяжелых ионов, физикой с экзотическими ядрами.
Explorer notre catalogue
Rejoignez-nous gratuitement et obtenez des recommendations, des mises à jour et des offres personnalisées.
Coursera propose un accès universel à la meilleure formation au monde,
en partenariat avec des universités et des organisations du plus haut niveau, pour proposer des cours en ligne.
© 2019 Coursera Inc. Tous droits réservés.
