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2018-10-09 01:09:57 科学百科 阅读 80 次

历史/重离子核物理 编辑

重离子核物理
原子核-内部结构模型图

20世纪50年代中期以前,人们只利用质量小于α 粒子的轻离子如氦核、氚核、氘核、质子,中子、电子和γ射线等轰击各种原子核,研究原子核的结构和变革规律,并取得了很大的成绩。50年代末,人们开始加速碳、氮、氧的原子核去轰击原子核,当时主要进行弹性散射和少数核子转移反应。从60年代中期到70年代初期,重离子核反应逐步成为获得人工合成超钔元素的主要手段。人们先后通过重离子核反应合成了102(锘)、103(铹)、104、105、106、107、108和109号元素(见超铀元素)。

过去多年,人们在实验中发现并用各种方法研究了近 2000种核素,其中大部分都是处于β稳定线附近的核。根据理论估计,在自然界可能存在着 5000多种核素。也就是说还可能有 3000多种远离β稳定线的核素有待于进一步认识,这也是重离子核物理一项基础研究。对于这些核素性质的研究,将大大丰富对核结构的了解。

在60年代后期,核物理学家根据已有的核结构理论,推断在质子数为114,中子数为184附近可能存在着一系列寿命较长的原子核,称为超重核,接着预测了它们的物理、化学性质并建议合成它们的各种途径。在这种理论预言的推动下,一些有条件的实验室改装已有的加速器或筹建新的加速器来加速重离子,每核子能量达到几兆电子伏,以用来研究重离子核反应。迄今,合成超重核的试验还在进行。尽管这种努力还没有取得肯定的结果,但是重离子核反应的研究却取得了重要的进展,开辟了几个对核结构和核反应机制有重要意义的研究领域。应用重离子束来研究原子、分子、固体及应用于生物和医学等学科领域的工作,也逐步开展起来,受到了人们的普遍重视。

重离子核反应

反应机制  重离子是具有结构的复合粒子,它所引起的核反应机制在某些重要方面同轻离子核反应有很大的差别。人们还可以根据研究的需要,选择各种靶核和弹核的结合,这也是重离子核反应的一个独特的优点。

重离子相对运动的德布罗意波长λ 很短,典型的量级为1/10fm。比原子核的直径小得多,然而对于4MeV的质子同样轰击Th,则 λ≈2.25fm,比重离子的德布罗意波长大得多。因此,重离子碰撞过程的典型情况可以利用经典粒子碰撞的轨道图像来描述(图1),重离子碰撞过程的反应机制可以按照碰撞参量b或轨道角动量l来进行分类,即随着bl的减少,两个原子核的相互作用由表面到内部,顺次发生弹性散射、非弹性散射(主要是库仑激发)、转移反应(重离子核反应中一般将弹性散射、非弹性散射和转移反应统称为准弹性散射)、重离子深部非弹性碰撞和全熔合反应(有时随着b的减小,会先发生全熔合反应,后发生深部非弹性碰撞)。它们的反应截面随着碰撞系统轨道角动量l值的分布重离子核物理的典型情况可用图2和表来表示。

重离子核物理
重离子核物理  重离子核物理
重离子核物理  重离子核物理
重离子核物理

  ① 准弹性散射。重离子弹性散射基本上是库仑散射和黑体衍射的组合,如果用核反应光学模型势计算弹性散射角分布和吸收截面则可以获得同实验基本符合的结果。但是重离子光学势参量的不确定性很大,难以给出确定的物理解释。

因为库仑激发的几率同核电荷数 Z的二次方成正比,故用重离子进行库仑激发远比轻离子有效得多,在擦边碰撞中,也通过核力作用激发靶核或弹核的集体运动,这些非弹性散射是研究原子核集体运动的一种途径。在重离子转移反应中,转移的核子数从一个、两个、三个、……到很多个都有可能,从而提供了研究两个、三个、四个乃至更多的核子结合成大块核物质转移的可能性。两个重离子核表面相互接触掺进越深,转移的核子数越多,能量和角动量的转移也就越多。这是用重离子转移反应来研究原子核表面结构的有利的方面。但是这种研究在理论处理上还有不少困难,首先是重离子核反应的开道很多,而不同道之间又有耦合,质量转移可以是一步完成,也可能是多步转移,加之必须考虑反冲效应,有限力程效应等,因而数值计算较繁。其次,在实验结果的分析中,必须把经典动力学效应(如Q窗效应等)正确地考虑进去,才能可靠地揭示原子核的结构。以上这些问题还有待于逐步解决。

② 重离子深部非弹性碰撞。正处于少数自由度参与反应的直接核反应和全熔合反应之间的过渡区域,是一种非平衡态的过程。实验上已经揭示出各种宏观物理量如能量、质量、电荷、角动量、中子质子比、角分布随相互作用时间而弛豫的一些规律,以及它们之间的一些互相制约关系。理论上用经典动力学方程,非平衡态统计理论等对以上现象进行了一些计算和解释。但整个研究工作还仅是个开始,问题相当复杂。因为一个强相互作用量子多体系统的非平衡态过程,牵涉的因素很多,例如造成能量耗散的原因有原子核的集体激发、核子激发、核子交换等。而且对不同的反应系统和不同的反应阶段,这些因素的主次关系不同。如何正确地区分和处理这些效应,实验上、理论上都还有困难。此外,原子核又是个粒子数不太多的多体系统,因此更有其特殊性。由于以上种种原因,深部非弹性碰撞仍是重离子核反应的一个主要研究领域。

③ 全熔合反应。当ll cr时,体系发生全熔合反应。全熔合是一个很复杂的动力学过程。但是简单的经典模型就可以给出截面随入射粒子能量变化的基本特征。当能量很高或两个重核相碰时,简单的模型不很适用,反应机制还有待进一步研究。

全熔合反应生成的复合核,一般都处在高自旋态和高激发态,因此是研究高自旋态的一个途径。复合核经过蒸发若干个粒子,形成远离β稳定线的缺中子核。这是产生远离β稳定线核素的一种有效方法。

原子核高自旋态的性质  重离子核反应是研究高自旋态的重要途径。理论预言,当核的自旋逐步增大时,核的结构会发生一系列的变化。由于科里奥利力的作用,对关联(见核超导性和对关联)受到削弱。先是使个别的对拆散,当转移角动量和能量更大时还会引起原子核的相变,由超导相变成正常相。某些原子核的形状随着转动的加快而发生形状变化。如由长椭球变成非轴对称椭球或扁椭球。这些理论上的推测已由于在实验上发现了回弯现象等而得到了部分的验证。

原子核转动的进一步加快,原子核的总角动量可以由单粒子角动量的总和给出,而没有集体运动的贡献。此时可以出现寿命很长的转动核,即所谓“陷阱态”。实验上已经观察到了某些高自旋的同质异能态。

以上说明了在高速转动情况下,由于原子核壳层效应、对力、科里奥利力和离心力之间的竞争将导致原子核内部结构发生变化。

中高能重离子核反应  70年代初期,国际上陆续建成了三台中高能重离子加速器,美国伯克利劳伦斯实验室的超级重离子直线加速器可以作为代表,1975年出束以来,已能加速各种离子,每核子能量从10到2.1×10eV。并积累了大量的实验结果。例如测量了某些反应发射粒子的多重性;某种粒子的能谱;靶残余物的质量和电荷分布等等。理论上为了解释已观察到的实验结果,提出了一些模型和理论,例如火球模型,相对论流体动力学模型等。定性地解释了部分实验上的特征。同时理论上预言了许多在高能重离子碰撞中可能产生的新奇现象,如冲击波、π凝聚(见核物质的异常态)等,这都有待于实验证实。

应用/重离子核物理 编辑

在深入进行重离子核物理基础研究的同时,重离子在其他学科中已开始有了应用并受到重视。

在原子物理学中的应用  重离子穿透薄膜时,同媒质中的电子发生强烈的库仑相互作用,电子被剥离几率大于复合几率,所以高速重离子穿过媒质薄膜后,将处于高度剥离的激发状态。在薄膜后的不同距离(激发后的不同时刻)测量激发离子发射的光谱,可以研究这些激发态的特性及寿命(见束-箔光谱学)。重离子束的应用给研究原子的内壳层的特性提供了有利的条件,这同天体物理的研究有密切的关系。

在材料科学中的应用  除了应用于半导体器件的制造和材料的表面处理(如改变材料表面硬度、摩擦系数、抗腐蚀能力)等的离子注入技术外,重离子束还可用来改变薄膜的性能、制造孔径为几纳米到几十微米的核薄膜滤器。用重离子束模拟研究裂变反应堆或聚变反应堆中释热元件和结构材料的辐照损伤,其效率远远超过其他方法。

在生物、医学中的应用  重离子已开始应用到放射生物学、放射诊断和放射治疗等方面。在放射治疗癌症方面,同X 射线相比,重离子在生物体中线能量转移值高,而且可以精确地控制剂量及射程,定位性能好,射程末端的释放能量集中,可使杀伤效果集中在需要照射的局部范围内,而减小对周围健康组织的损伤。

重离子加速和探测技术  重离子加速器  是提拱一定强度的单能重离子束的装置,按基础研究和应用研究的不同的要求,把不同的核素加速到所需的能量并保证较好的束流相空间特性(见束流输运系统)。目前重离子加速器的主要类型有直线加速器、回旋加速器和串列静电加速器。在负离子源的技术发展的基础上,串列静电加速器能提供高能量分辩(分辩率达10 )的重离子束,同步加速器是用来获得单粒子能量在10~10eV的重离子束的。与轻离子加速器不同,重离子加速器大都是把几台加速器串接起来,中间安装一个或几个剥离器以提高离子电荷态,进行离子加速。这样,可在离子加速的不同阶段发挥各种类型加速器的特点,以降低加速器的造价和提高束流的性能。


重离子探测技术  为了研究重离子引起的核反应,首先要对反应产物进行鉴别,确定是什么核素,同时还要确定该核素产物的能谱和出射角及方位角。对一个产物来讲,在实验中可直接测量的量有总动能、通过一定厚度的薄层媒质时的能量损失、电磁刚度、经过一定距离的飞行时间等,由此可以确定产物的能量、原子序数和质量数(见核物理实验中的粒子鉴别技术)。产物的出射方向一般由探测器的位置确定,但由于出射道的数目增加,某一特定核素的截面比较小,同时原始产物的继发衰变使得产物偏离反应平面,所以在许多重离子核物理实验中常常采用大立体角二维位置灵敏探测装置。鉴于重离子引起核反应的复杂性,只测量一个产物通常还不足以确定核反应,所以在实验中往往要进行符合测量,以确定某一反应中几个产物之间的关联,如碎片-碎片、碎片-轻粒子、碎片-γ射线之间的关联等等。

在探测技术的具体选择上也有其特点。由于重离子产物在媒质中的电离密度大,辐照损伤严重,气体探测器(见气体电离探测器)得到了广泛的应用。

在重离子引起的核反应中,反冲产物有足够的动量,足以飞出靶箔,人们可以直接收集和分析反应的重产物,如使用气体喷射技术收集反冲核,用电磁速度选择器直接从束流方向上分离出熔合蒸发的反冲剩余核,在线同位素分离器是鉴别寿命比较短的核素质量的有效装置。

在重离子核反应中,反应产物常常处在高自旋高激发状态,在退激过程中会放出很多γ射线和不少中子。因此γ多重性测量和中子多重性测量,对研究反应机制和产物性质具有重要意义。在重离子核反应中,这种多重性的测量是通过多个探测器和多参量数据获取系统而实现的。

可以预期,随着已有重离子加速器和探测装置的不断改进,新的加速器和探测设备的使用,重离子核物理的基础研究和重离子束的应用将会得到更加广泛、深入的发展。