《原子核高自旋态》PPT课件.ppt

原子核的高自旋态 高自旋态态研究介绍绍 原子核具有的角动动量称为称为 原子核的自旋,属属于原 子核重要的量子力学学性质质.实验实验 上是从从原子光谱谱存在 超精细结构发现细结构发现 的。 原子核是由核子组组成的,每个个核子有自旋,同时时在 核内内作复杂复杂 的相对运动对运动 ,具有相应应的轨轨道角动动量,这这 些角动动量和原子核的集体转动转动 角动动量耦合,构构成了原 子核的自旋。 一般将将原子核自旋量子数数大于10的核态称为态称为 高自 旋态态。 n n n n n 从从六十年代后期开开始，由于重离子加速器的建 立，探测测器技术术、电电子学学技术术和计计算机技术术的发发 展，在衰变谱学变谱学 (由原子核的自然衰变变而得到能谱谱 )的基础础上逐渐渐形成了一个个新的研研究领领域现现代核 谱学谱学 ,大大扩扩大传统传统 核谱学研谱学研 究的疆界。现现代核 谱学谱学 一方面可以通过过某些核反应应使人们观测们观测 到原 子核的多种种激发发模式和多种种退激模式，另一方面 ，也可以通过过某些反应将应将 反应产应产 物中的生成核布 居到更高的激发态发态 和更高的自旋态态。 七十年代，人们们由晕谱晕谱 的转动惯转动惯 量出现现回弯弯而 发现发现 的普遍的“回弯现弯现 象”导导致了高自旋态态核物理 学学的出现现和发发展。 n n n n n 核谱谱学研究的三个主流方向 n1.激发能自由度(高激发能) n2.同位旋自由度(高同位旋) n3自旋自由度(高自旋) n n n n n 高自旋态态的布居 n1.重粒子多重库仑激发 n2.重粒子诱发裂变 n3.重粒子融合蒸发反应 n n n n n 高自旋及回弯现现象 重核裂变：应用重核的自发裂变，产生丰中子核 的高自旋态。重核裂变同时能够产生大量裂变碎 片，一次实验可以研究很多核的高自旋态，但是 这些核也会在数据分析时互相干扰。 n重离子库仑激发：通过长程电磁相互作用产生 非弹性散射，使靶核处于高自旋态。库仑激发容 易激发起集体运动，但是激发能不太高。适用于 稳定线附近的核，需要稳定的靶。 n n n n n n熔合蒸发反应： 用加速到一定能量的重离子束流 ，打在靶核上,与靶核熔合产生复合核。复合核通 过蒸发粒子（中子、质子或粒子 ）可以退激掉 大部分的能量，但发射的粒子不能带走很多角动 量，于是形成具有高自旋的剩余核，它通过级联 跃迁退激到基态。即所谓的重离子反应 (HI,(xn,xp)。 熔合蒸发反应适用于缺中子核。熔合蒸发反应 是比较好的一种研究高自旋态的方法，最高可以 获得约60的角动量。 高自旋及回弯现现象 n n n n n 7Li轰击114,116Cd，束流 能量分别为48和30 MeV 。 120核区高自旋态实验 研究 n n n n n 高自旋及回弯现现象 1971年A.Johnson等人通过 反应研 究了 核的高自旋态。他们在分析转动惯量 与转动角频率的变化关系时，发现晕谱在I = 14+附近转动惯量突然增加，出现回弯现象 (backbending)，这里我们给出另一清晰的回弯现 象的图，如图4.8.1 所示。所谓晕态是指同角动 量下，能量最低的态，这些态构成的线称为晕线 (yrast line),如图4.8.2所示。 n n n n n n n n n n 5. 高自旋态态中的回弯现现象 n n n n n 5. 高自旋态态中的回弯现现象 n n n n n (2) 回弯弯机制 早期, B. Mottelson and J. Valatin提出, 对对崩溃溃 (Pairing Collapse), c时时, 对关联对关联 受扰动扰动 , 超导导 态态正带态带态 , rig, 转动惯转动惯 量急剧剧增加. 72年 F. Stephens and R. Simon提出, 回弯处实弯处实 际际是内内部颇颇不同的两个转动带两个转动带 的交义义(band crossing), 一个个是基带带, 内内部核子配对对, 小, J, EJ; 另一个个是激发带发带 -S带带(Superband)内内部是高j低 闯闯入轨轨道上一对对核子拆散, 受很强的Coriolis力作用 , 角动动量沿集体转动轴转动轴 方向(R)顺顺排, 急剧剧增大, 出现现 图图示的回弯弯. n n n n n n n n n n 图4.8.1、回弯现象图4.8.2、晕线 高自旋及回弯现现象 n n n n n n n n n n (2) 回弯弯机制 早期, B. Mottelson and J. Valatin提出, 对对崩溃溃 (Pairing Collapse), c时时, 对关联对关联 受扰动扰动 , 超导导 态态正带态带态 , rig, 转动惯转动惯 量急剧剧增加. 72年 F. Stephens and R. Simon提出, 回弯处实弯处实 际际是内内部颇颇不同的两个转动带两个转动带 的交义义(band crossing), 一个个是基带带, 内内部核子配对对, 小, J, EJ; 另一个个是激发带发带 -S带带(Superband)内内部是高j低 闯闯入轨轨道上一对对核子拆散, 受很强的Coriolis力作用 , 角动动量沿集体转动轴转动轴 方向(R)顺顺排, 急剧剧增大, 出现现 图图示的回弯弯. n n n n n 丰富的核结结构现现象 手征双重带带 磁转动转动 与反磁转动转动 超形变变 八级级关联联 旋称反转转 带带交叉延迟迟 带终结带终结 形状共存 质质子中子顺顺排竞竞争 n n n n n 一质子和中子转动排列竞争 (Alignment Competition) 当原子核高速转动时,处于高J低轨道上的一对角动量耦合为0 的核子,由于受到的科里奥利力方向相反而被拆对,并使它们的角动 量沿转动轴方向排列,使原子核的转动惯量突然增加,在能谱结构上 即可呈现出著名的回弯现象(Backbending)。1983年,近代物理研究 所的孙相富研究员在研究130Ba的实验中,在基态转动带10态之上 观测到一个三分叉现象,其中的两个正宇称带,都有回弯现象出现。 通过与推转壳模型计算比较,提出了它们分别为一对h11/2质子和一 对h11/2中子转排的结果。同时预言在128Ba等邻近核中也应存在类似 现象,并很快用实验在128Ba中证实了这一结论。这些实验结果吸引 了实验研究者的广泛兴趣,现已在124,126Ba,124,126Xe等多个偶偶核和 131La，127Ba等多个奇A 核中也都观测到了这种h11/2质子和h11/2中子 转动排列竞争现象。在作者最近研究的奇质子核123I中也观测到了 这种转动顺排竞争的迹象。理论家也作了大量研究。到目前为止的 基本结论是:由于价质子处于h11/2支壳下部,一对质子的拆对顺排把 原子核驱向长椭球形状,而价中子处于h11/2支壳中上部,一对中子的 拆对顺排把原子核驱向扁椭球形状,这些核的三轴形变位能面又很 平缓,更促使出现这种转动排列的竞争。 n n n n n 二形状共存(Shape Coexistence) 在130过渡区核中观测到的核形状共存现象之多样为其它核区少 见。一种是如前所述,由于h11/2质子转动排列,把原子核驱向 =0的长椭球形状,而h11/2中子转动排列又把原子核驱向=- 60的扁椭球形状。第二种虽然也是=00与=-600的形状共存 ,但其产生原因却不同。它们分别是基于核的质子h11/2支壳的 K=1/2和K=11/2轨道上的。位能面(PES)的理论计算表明,在奇质 子I核中5501/2 与50511/2两个h 11/2轨道有可相比的极小, 前者为长椭球形状,而后者相应于扁椭球形状。在119I和117I中除 观测到I=2的K=1/2带之外,都已观察到了K=11/2的带。这个带 的显著特点是有很强的I=1跃迁,并且I=1跃迁的混合比率为 负，同时没有Signature劈裂。但是，最近不同的实验室对117I， 119I的高自旋态研究中得到了不同的结论。要澄清其分歧还需要 作大量的实验和理论工作。第三种形状共存是=0的长椭球与 =60的非集体运动的扁椭球形状,其产生的原因是就是下面要 论述的带终结现象。 n n n n n 三带终结带终结 (Band Termination) 随着有多个价核子的变形核的转动频率和自旋的增加,科里奥利 力将把价核子拆对并使它们的自旋沿转动轴排列,当这种被排列 的粒子足够多时,它们的运动轨道(或密度分布)使核的形状成为 绕转动轴的扁椭球,使核从有集体转动的长椭球过渡到了无集体 运动的扁椭球,即600。当这些被排列的价核子自旋态在能量 上低于yrast转动带的态时,集体转动带就被终结了,代之的是单 粒子结构,能级间跃迁强度也不再是集体E2跃迁,而是单粒子跃迁 强度。在130区带终结现象也得到了普遍的实验观测，主要集中 在Xe和I的同位素系列。 当前带终结研究的主要问题是对关联效应与终结态的相互作用， 以及壳崩溃之后的量子多体费米系统的运动方式还不是很清楚。 n n n n n 四带带交叉延迟迟(Crossing Delay) 在奇质子核I和Cs中发现,一对h11/2中子拆对顺排与基于h11/2质子 入侵轨道5501/2 上的yrast带发生带交叉的频率比与基于g 9/2 和d5/2轨道上的带的要高。例如在117I中15,与5501/2 h 11/2质 子带交叉发生在 0.5MeV,而与g9/24049/2+和 d5/24201/2+带的交叉发生在 0.39MeV。推转壳模型计算 预言的一对h11/2中子转排应发生在 0.35MeV,与和g9/2和d5/2 带交叉的频率相近。这种带交叉频率在入侵带中的延迟现象在 170质量区也有发现19,那里的质子入侵轨道是5411/2-和 6601/2+。 n n n n n 五旋称反转现转现 象(Signature Inversion) 建立在高J低唯一宇称(Unique parity)轨道上的转动带,因 Signature劈裂而分成两组I=2的级联跃迁,两组级联之间可有 I=1的连接跃迁.能量低的一组称favored带,高的一组称 unfavored带。实验发现,在奇A核高自旋态发生带交叉之后,有不 同Signature的带发生了能量的反转。对A160和A130区的双 奇核研究发现,与奇A核相反,在双奇核中低自旋区是Signature反 转的。 n n n n n 五旋称反转现转现 象(Signature Inversion) 用不同的理论论模型计计算对对Signature反转现转现 象进进行了解释释。例 如,推转壳转壳 模型计计算认为认为 三轴轴形变变是主要原因；粒子-转转子模型 认为认为 不需要引入三轴轴形变变,但费费米面位置对产对产 生Signature反转转 很关键关键 ；还还用了包括p-n相互作用的推转壳转壳 模型；包括p-n相 互作用的粒子-转转子模型；HARA使用投影壳壳模型也对对此进进行了 研研究。目前的问题问题 是实验实验 的数数据尚显尚显 不足,而且对带头对带头 能级级自 旋指定的可靠性较较差,自旋值值相差1就意味着交换对换对 favored和 unfavored带带的指定。刘运刘运 祚教教授等对这对这 一问题问题 作了系统研统研 究 ,指出的确有很大一部分带带的自旋指定可能有问题问题 ，并给并给 出了修 改建议议，一些修改建议议已经经得到了实验实验 确认认。因此更多的实验实验 数数据及更可靠的带头带头 自旋指定对搞清对搞清 Signature反转转的本质质是 很重要的。 n n n n n 138Eu (1) 138Pm (1) 136Pm (1) 134P m (0) 136Pr (1) 134Pr (1) 132Pr (1) 130Pr (1) 134La (1) 132La (1) 130La (3) 128La (0) 126La (3) 132Cs (0) 130Cs (0) 128Cs (1) 126Cs (4) 124Cs (2) 122Cs (3) 120Cs (0) 118Cs (2) n n n n n 实验检验实验检验 ： 124Cs: A. Gizon et al., Nucl Phys A694 (2001) 63 Lu et al., Phys Rev C62 (2000) 057304 132La: Vinod Kumar et al., Eur. Phys. J. A17, (2005) 153 130,132Pr: C.M.Petrache et al., Nucl Phys A635 (1998) 361 134Pr: S.P. Roberts et al., Phys.Rev.C67, 057301 (2002) D. B Fossan et al., Proceedings of Frontiers of Collective Motion2002, Aizu, Japan, November 2002 修改被采用： 122Cs: Yong-Nam U et al., J.Phys.G:Nucl.Part.Phys.31 (2005) B1 128Cs: T. Koike et al., Phys.Rev.C67, 044319 (2003) 134La: R.A. Bark et al., Nucl Phys A691 (2001) 577 136Pm: D.J. Hartley et al., Phys.Rev.C64, 031304 (2001) 138Eu: A.A. Hecht et al., Phys.Rev.C63, 051302 (2001) L.L.Riedinger et al., Acta Physica Polonica B.Vol.32 (2001)2613 n n n n n n n n n n n n n n n 六八级级关联联 根据壳壳模型理论论,当当一个个核在费费米面附近具有主量子数数相差1,而 轨轨道角动动量和总总角动动量均相差3的两个轨两个轨 道时时,有可能出现现八极极 形变变或八级关联级关联 。而这应该这应该 出现现在中子数数N和质质子数数Z在34、 56、88和134附近。在轻锕区轻锕区 (Z=88,N=134)和重钡区钡区 (Z=56,N=88)核的实验实验 中,都已观测观测 到了核的八极极形变变,证证明了 理论预论预 言的正确性。而对对于Z和N均为为56附近的偶-偶核,理论论 计计算表明,这这些核中只有在N=Z=56(112Ba)附近少数数几个个核的形 变变能存在很浅浅的八极极形变极变极 小,而且随随着N和Z偏离56而迅速消 失.在这个这个 核区区,N=56的核已位于质质子滴线线,因此在实验实验 上是很 难研难研 究的。近年来来在偶-偶核110Te(N=58)和114Xe(N=60)及奇 A核117Xe、118,120Xe和121Xe中都观测观测 到了增强的E1跃迁跃迁 ,它它是 原子核存在八级关联级关联 的实验证实验证 据,它它表明原子核有了较较大的电电 偶极极矩。 n n n n n 七超形变带变带 自从1985年，PTwin等人发现152Dy超形变带在核物理界引起了 轰动。二十余年来，高速转动核的超形变研究一直是原子核高自 旋态研究中的一个十分活跃的前沿领域。超形变的观测从最初的 稀土区扩展到了现如今的40，80，130和190等多个核区。最初观 测到的超形变都是长短轴之比近似为2：1的长椭形变，1995年 H.Schnack-Petersen等首次报道了三轴超形变的实验观测，原子 能研究院的杨春祥教授利用国内的实验条件观测到了世界上第三 例三轴超形变。由超形变还派生出了一些出乎人们预料的新现象 ，如超形变全同带，超形变的C4对称等。为什么会出现这样的现 象呢？一时间众说纷纭还没有一个明确的结论，有待于更深入的 研究。 n n n n n 八磁转动转动 与反磁转动转动 在十几年前，人们们在Pb同位素链链核中观测观测 到了一系列带内带内 磁偶极极 跃迁较跃迁较 强的规则转动带规则转动带 。这这些转动带转动带 有一个个共同的特点，那就是 M1跃迁跃迁 是十分强的，而E2跨接跃迁跃迁 是很弱的，甚至观测观测 不到，这这 样实验样实验 提取的带内带内 的约约化跃迁跃迁 B(M1)/B(E2)自然是很大的。理论论 计计算表明很大的B(M1)/B(E2)值对应值对应 的原子核应该应该 是有很小的形变变 ，即是近球形核。但是，在当时对当时对 于一个个近球形核出现类现类 似于形变变 核的规则转动带结构规则转动带结构 是不被人们们所接受的。时时至今日这样这样 的M1带带 已经经得到了满满意的解释释，它对应它对应 于一个个新的原子核激发发模式磁转转 动带动带 。迄今为为止磁转动带转动带 已在好几个个核区区得到了普遍的观测观测 ，主 要集中在奇A核和偶偶核中，奇奇核中很少观测观测 到这样这样 的磁转动带转动带 。在本文重点研研究的130核区区，好几个个原子核也观测观测 到这样这样 的磁转转 动带动带 。但是与与其他核区区不尽尽相同的是，在130核区这样区这样 的转动带转动带 一 般都有相对较对较 大的四极极形变值变值 (0.2)，这这就不得不使人们产们产 生怀怀 疑，这样这样 的转动带转动带 是应该应该 理解为为磁转动带还转动带还 是通常的高K转动带转动带 呢？显显然总结总结 B(M1)随随自旋的变变化关关系可以回答这样这样 的问题问题 ，这这 需要借助寿寿命测测量和在更多的原子核中观测观测 到磁转动带转动带 。 n n n n n 八磁转动转动 与反磁转动转动 反磁转动与磁转动相类似同样是发生在近球形原子核中，处在高J轨 道的两个空穴性的价质子角动量方向相反，而且都与粒子性的价中子 角动量方向垂直，随着转动频率的加快，两个质子的角动量方向是向 中子角动量方向靠拢的，这就好像两把剪刀在合拢，两把剪刀的磁矩 方向是相反排列的，因此磁矩会减小甚至消失，故称为反磁转动。目 前为止，只在100区的106Cd47和100Pd48等少数几个核中观测到了 这种反磁转动带。由于反磁转动与磁转动产生条件几乎是相同的，因 此在130核区的原子核中观测到反磁转动带也是值得期待的。 n n n n n 九手征双重带带 早在20世纪60年代，理论物理学家就预言了原子核可以有稳定的三轴 形变，即非轴对称形变。但是在实验找到直接的证据是很困难的。虽 然旋称和约化跃迁随自旋的一些变化关系可能与原子核的三轴