Нейтроноизбыточные ядра

    С правой стороны N-Z диаграммы за стабильными ядрами располагаются нейтроноизбыточные ядра. Эта область недостаточно исследована. 3 тысячи ядер, возможность существования которых предсказывают ядерные модели, но которые пока не обнаружены располагаются в этой области.

Граница нейтронной стабильности

    Граница нейтронной стабильности B_n = 0 в настоящее время относительно хорошо известна лишь для самых легких ядер. На рис. 10.1 показан полученный методом времени пролета спектр масс ядер с Z = 4-7.

Рис. 10.1. Времяпролетный спектр масс ядер

    Граница нейтронной стабильности достигнута для изотопов с Z = 4 с обнаружением ¹¹Be. На пучке ⁵⁶Fe был синтезирован самый тяжелый связанный изотоп с Z = 5 - ¹⁹B. В совместных экспериментах Дубна - GANIL на пучках ⁴⁰Ar и ⁴⁸Ca c энергией ~50 МэВ/нуклон были обнаружены связанные нейтроноизбыточные ядра ²²C, ²³N, ²⁹F, ^29,30,32Ne.
   В области легчайших ядер были обнаружены нейтрононестабильные ядра, проявляющиеся в виде резонансов (табл. 10.1).Несмотря на то, что обнаружено большое количество нейтроноизбыточных изотопов с Z>10, для подавляющего большинства элементов граница нейтронной стабильности пока не установлена. Для этого требуются довольно экзотические комбинации налетающих ядер и мишеней. Теоретические оценки границы нейтронной стабильности сильно модельно зависимы - они зависят от используемых приближений для описания среднего поля и параметров N-N взаимодействия. Основная проблема состоит в том, насколько надежно можно экстраполировать параметры моделей, полученные для описания ядер вблизи долины стабильности, в область ядер с большим избытком нейтронов.

Таблица 10.1. Нейтрононестабильные ядра

Ядро	(N-Z)/A	Канал распада	Энергия распада, МэВ	Ширина Г, МэВ
4H	0.50	3H + n	3.4	3
6H	0.67	3H + 3n	2.7(4)	1.3(5)
5He	0.20	4He + n	0.89	0.60(2)
7He	0.42	6He + n	0.44	0.16(3)
9He	0.56	8He + n	1.14	<1.0
10He	0.60	8He + 2n	1.07(7)	0.3(2)
10Li	0.40	6Li + n	0.24(6)	0.17
13Be	0.39	12Be + n	0.80(9)	~1.0
16B	0.38	15B + n	0.40(6)	<0.10

    Граница нейтронной стабильности не описывается гладкой линией. Это связано с проявлением эффектов спаривания. В некоторых случаях энергия спаривания составляет 2-3 МэВ и превышает энергию связи нейтрона в ядре, что приводит к четно-нечетному эффекту. Добавление одного нейтрона к нестабильному ядру с нечетным числом нейтронов может привести к значительному увеличению энергии связи и даже к смене знака энергии связи.

Рис. 10.2. Энергия связи одного и двух нейтронов в изотопах He ("гелиевая аномалия")

    Различие в величинах энергии отделения одного нейтрона B_n и энергии отделения двух нейтронов, обнаруженное для легких ядер, свидетельствует о том, что следует говорить о нейтронном drip-line B_n = 0 и двух нейтронном drip-line B_2n = 0. Эти линии не совпадают и в настоящее время трудно предсказать, какое различие между ними может быть для средних и тяжелых ядер. Практически для всех легких ядер стабильность уменьшается при добавлении двух нейтронов. Для изотопов He это правило не соблюдается (так называемая "гелиевая аномалия" (рис. 10.2). Наибольшее увеличение энергии связи с увеличением числа нейтронов (~1.2 МэВ) наблюдается для изотопов ⁶He - ⁸He. Аналогичная ситуация имеет место для изотопов ⁵He - ⁷He (~0.5 МэВ). Даже добавление четырех нейтронов к ядру ⁵He существенно не меняет энергию связи.
    Спектроскопия ядра ⁷He изучалась в реакции передачи p(⁸He,d)⁷He. Эксперимент выполнен на фрагмент-сепараторе RIPS в RIKEN. Пучок ⁸He имел энергию 50 МэВ/нуклон. Наряду с дейтронами регистрировались и другие частицы, образующиеся при распаде ядра ⁷He. Хорошо известно, что основное состояние ⁷He является несвязанным (см. табл. 9.1) резонансным состоянием и распадается по каналу ⁶He + n. Впервые было обнаружено возбужденное состояние ядра ⁷He. Проведенный анализ показал, что обнаруженное возбужденное состояние имеет сложную структуру - нейтрон в возбужденном состоянии над кором ⁶He, который в свою очередь находится в возбужденном состоянии. Необычная структура этого возбужденного состояния проявляется в довольно экзотическом канале распада ⁷He^{* 4}He + 3n.
    Получение нейтроноизбыточных ядер вблизи границы нейтронной стабильности представляет сложную проблему. В первую очередь это связано с тем, что нейтронная граница (B_n = 0) отстоит гораздо дальше от долины стабильности, чем протонная (B_p = 0). Поэтому граница нейтронной стабильности не установлена за исключением легчайших ядер. Так например, самый тяжелый изотоп олова, обнаруженный на сегодняшний день ¹³⁷Sn , в то время как теория предсказывает существование дважды магического изотопа ¹⁷⁶Sn (Z = 50, N = 126). При продвижении к границе нейтронной стабильности необходимо использовать экспериментальные методы, обладающие высокой селективностью, высокой скоростью анализа продуктов и высокой эффективностью для того, чтобы было возможно отделить короткоживущие изотопы, образующиеся с очень малым сечением. Так например, широко используемый метод кремниевых детекторов непригоден для этих целей, т.к. несмотря на свою быстроту он не обеспечивает требуемой селективности продуктов реакции и имеет малый телесный угол.
    Метод расщепления мишеней протонами годится лишь для очень легких ядер. Он был использован для обнаружения нейтронной границы для Z < 10.
    Для получения более тяжелых ядер используется метод ISOL, метод деления тяжелых ядер. Большое количество новых нейтроноизбыточных изотопов было получено методом обратной кинематики - фрагментации тяжелой налетающей частицы на мишени из легких ядер.
    Особый интерес представляют легкие нейтроноизбыточные ядра, т.к. для них получено наибольшее отношение N/Z: для ⁹He N/Z = 3.5, для ³⁴Na - 2.1, а для ²⁵²Cf - 1.6. Исследования легких нейтроноизбыточных ядер позволяют получить информацию о свойствах нейтронного вещества и малонуклонных экзотических систем. Некоторые из полученных результатов были неожиданными. Так изотоп ⁸He оказался более связанной системой по отношению к эмиссии одного и двух нейтронов, чем ⁶He, а энергия отделения нейтрона у ⁷He больше, чем у ⁵He (см. рис. 10.2).
    Существенную роль в области легких нейтроноизбыточных ядер играют силы n-n спаривания. Как правило все легкие ядра, по которым проходит граница нейтронной стабильности (за исключением Z = 1) имеют четное число нейтронов. Так например, изотоп ¹⁴Be имеет связанное состояние, в то время как ¹³Be не имеет. Аналогичная ситуация с ²²C и ²¹C. Нестабильными по отношению к испусканию нейтронов являются изотопы ¹⁶B и ¹⁸B, в то время как ¹⁷B и ¹⁹B стабильны.

Рис. 10.3. Экспериментальная установка для производства и идентификации нейтроноизбыточных изотопов на спектрометре RIKEN-RIPS

    Наиболее нейтроноизбыточными изотопами в области 10 < Z < 13 являются ³²Ne, ³⁵Na, ³⁷Mg и ³⁹Al и экспериментально граница стабильности относительно нейтронного распада на сегодня не достигнута. Попытка продвинуться к более нейтроноизбыточным изотопам в этой области была предпринята в RIKEN [D. Guillemand-Mueller et al. Phys. Rev. C41, 1990, p.937]. Для получения нейтроноизбыточных ядер использовалась фрагментация пучка ⁴⁸Ca с энергией 70 МэВ/нуклон на мишени ¹⁸¹Ta. Фрагменты отбирались и накапливались с помощью RIKEN-RIPS спектрометра (рис. 10.3). Идентификация радиоактивных частиц проводилась с помощью измерения магнитной жесткости, времени пролета, измерения потерь энергии E и полной кинетической энергии.

Рис. 10.4. Двумерное распределение A/Z - Z, полученное с помощью реакции ионов пучка 48Ca на танталовой мишени

    На рис. 10.4 показано двумерное распределение A/Z - Z [H. Sakurai et al. Nucl. Phys. A616, 1997, p.311]. Приведенные данные получены в результате их накопления в течение одного дня. Было обнаружено 3 новых нейтроноизбыточных изотопа - ³⁸Mg (18 случаев),⁴⁰Al (34 случая), ⁴¹Al (4 случая). Обнаружение новых нейтроностабильных ядер свидетельствует о том, что энергии отделения одного нейтрона (S_n) и двух нейтронов (S_2n) для этих ядер положительны. В табл. 10.2 приведены результаты расчетов величин S_n и S_2n, полученных с использованием различных массовых формул.

Таблица 10.2. Энергии связи одного S_n и двух S_2n нейтронов

    Из представленных данных видно, что величины S_n и S_2n для большинства расчетов положительны. Результаты расчетов в сочетании с экспериментальным открытием изотопов ³⁸Mg, ⁴⁰Al и ⁴¹Al свидетельствуют о том, что граница нейтронной стабильности B_n = 0 для ядер с Z = 12, 13 пока не достигнута.
    Ситуация с Z = 10 (Ne) более сложная. В 2800 случаях был идентифицирован изотоп ³⁰Ne, в 90 -³¹Ne, в 70 - ³²Ne и ни разу изотоп ³³Ne, хотя менялись параметры детектирующей системы и увеличивался ток пучка. Это по-видимому свидетельствует, что граница нейтронной стабильности проходит за ядром ³²Ne.
    Для получения максимального выхода исследуемых изотопов большое значение имеет подбор ядер для мишеней и пучков. Сравнение результатов экспериментов, выполненных с мишенями ⁶⁴Ni и ¹⁸¹Ta, показывает, что из-за большего сечения фрагментации для получения нейтроноизбыточных ядер в области Z = 10-13 предпочтительно использование ¹⁸¹Ta. Сравнение результатов экспериментов с пучками ⁴⁸Ca и ⁵⁰Ti показало, что предпочтительно использование пучков ⁴⁸Ca. Так в измерениях на пучке ионов ⁵⁰Ti за 4 дня было зарегистрировано 9 ядер ³²Ne и 3 ядра ³⁷Mg, измерения с тем же током на пучке ⁴⁸Ca всего за 1 день дало 70 ядер ³²Ne и 30 ядер ³⁷Mg.
    Несмотря на большие усилия, на карте атомных ядер попрежнему остается большое число неисследованных нейтроноизбыточных изотопов средней массы. Заметный прогресс в свое время в исследованиях в этой области был достигнут в экспериментах на реакторе высокой интенсивности в Гренобле. Однако несмотря на улучшение спектрометров, детектирующих систем, методик получения мишеней прямая сепарация и исследование свойств продуктов деления покоящихся ядер под действием тепловых нейтронов остается довольно сложной проблемой. Это в частности связано с тем, что

1. продукты деления имеют широкое зарядовое распределение, что затрудняет их магнитный анализ;
2. возникают трудности с детектированием тяжелых фрагментов деления из-за больших потерь энергии в мишени;
3. малая угловая аппертура детектирующей системы ограничивает возможности регистрации редких каналов деления, т.к. продукты деления распределены изотропно.