Н.Н. Колесников
Московский Государственный Университет
Массы ядер и массовые формулы
Масса является одной из важнейших
характеристик ядра наряду с величиной заряда и
размером ядра. В ядерной физике вместо массы ядра
чаще используется энергия связи B, которая
определяется как разность между суммой масс
покоящихся протонов и нейтронов и массой ядра М: B(Z,N) = (mpZ + mnN – M)c2 , где mp – масса протона, mn – масса
нейтрона, с-скорость света Z – число протонов, N –
число нейтронов, обычно энергия В (а нередко и
масса М) выражается в энергетических единицах (Мега-электрон Вольтах, МэВ). При этом
ядро неявно предполагается (следуя гипотезе,
высказанной в 1932 году Гейзенбергом и Иваненко)
состоящим из нейтронов и протонов, удерживаемых
в ядре благодаря действию ядерных сил
притяжения. Между тем в настоящее время
утверждение о том, что протоны и нейтроны
являются составными частицами ядра выглядит
достаточно спорным, поскольку сами нуклоны, как в
этом уверены, состоят из кварков, и вопрос лишь в
том в какой мере нуклоны сохраняют свою
индивидуальность внутри ядра (а не диссоциируют
на кварки). Недавно путем уникальных численных
расчетов системы шести кварков,
взаимодействующих с глюонным полем, удалось даже
найти ( в рамках квантовой хромодинамики, КХД на
решетке) потенциал рр-взаимодействия в
синглетном и триплетном состояниях [1], который
передает наиболее характерные свойства ядерных
сил. И тем не менее нейтронно0протонная модель
остается хорошим прибоижением. |
В связи с остающейся
неопределенностью в выборе потенциала
взаимодействия нуклонов и трудностями в расчете
энергий связи ядерных систем многих частиц,
особенно тяжелых и сверхтяжелых ядер, широкое
распространение получили ядерные модели,
которые отражают важнейшие особенности ядерных
сил и связанные с ними свойства ядер.
где C1 = v/2(Rо/rо)3.
Отметим, что квантовомеханический расчет при использовании статистической модели (используются плоские волны для одночастичных волновых функций) приводит к аналогичному результату [11]. Однако при расчете кинетической энергии в рамках квантовой механики необходимо учитывать, что нуклоны являются фермионами и на них распространяется принцип Паули, в соответствии с которым нуклоны не могут находиться все на одном и том же низшем энергетическом уровне, а поэтому будут заполняться уровни с все более высокой энергией, на каждом уровне по два протона ( с противоположной ориентацией спина) и по два нейтрона. При этом в основном состоянии ядра будут заполняться все нижние уровни. Кинетическая энергия ядра представляет собой сумму: В статистическом приближении одночастичных волновые функции нуклонов записываются в виде плоских волн, обращающихся в нуль на границе и вне ядра. Для простоты рассуждений заменим сферическое ядро радиуса R на равновеликий куб со стороной а: 4 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() При суммировании по nx , ny и nz пробегаются все точки решетки (с параметром 1) в пространстве переменных nx , ny и nz, так что можно записать Переходя вместо суммирования к интегрированию,
получим при выборе сферических координат n, Или, если пренебречь различием масс нейтрона и протона, то:
При этом Отсюда n(Z) = (3/8 А следовательно T = 4 Или, поскольку a = r0(4 T = 9/80(3/2 Вместо Z и N удобно вести A = Z + N и I = N - Z. Учитывая далее, что для реальных ядер I/A<< 1, можно записать : (Z5/3 + N5/3 )/A2/3 А следовательно
где Сk константа. Учтем еще кулоновскую энергию ядра
При учете объемной энергии (1), поверхностной энергии (2), а также кулоновской энергии (4) и энергии симметрии, пропорциональной в (3) (A-2Z)2/A ( в нее дает вклад также энергия, связанная с пионным обменом [16]), выражение для полной энергии связи ядра В можно записать в виде суммы :
Эту формулу получили Бете и Вейцзекер еще в 1932 году и теперь она носит их имя, см.[11]. Как показывает анализ экспериментальных данных, при прочих равных условиях энергии связи четно-четных ядер (Z - четное, N - четное) больше, чем нечетных ядер( А - нечетное), а последних больше, чем нечетно-нечетных ядер ( Z - нечетное, N - нечетное).Чтобы учесть этот эффект спаривания в формулу Бете-Вейцзекера добавляют еще поправку на четность Р(А). При оптимальном выборе поправки на четность в виде
где
формула (5) описывает энергии всех
известных ядер (за исключением самых легких) со
среднеквадратичным отклонением 2,7 МэВ при
максимальном отклонении около 10 МэВ.
При А = cоnst энергия Е достигает минимума
при Z = Z*, которое определяется из условия
где
где
Как следует из (9) и (10), в случае
нечетных ядер (А – нечетное) , наиболее
стабильным является изобар с Z наиболее близким к
Z*. В случае четных А изобарная парабола
ядер с четными Z лежит ниже, чем для нечетных Z
(согласно (6) на величину 2 |
В связи с тем, что расхождения
формулы Бете-Вейцзекера с экспериментом
довольно значительны, делались многочисленные
попытки подправить формулу, основываясь на общих
представлениях о структуре ядра и свойствах
ядерных сил, учитывая, например, отсутствие у
ядра строго очерченной границы. Однако такого
рода попытки не привели к существенному
улучшению результатов (по поводу массовых формул
опубликованных до 1970 года см. например, обзоры [16,
84]). Как выяснилось в дальнейшем, главная причина
состояла в том, что не учитывалось заполнение в
ядре оболочек протонов и нейтронов, что
проявляется в значительном повышении энергии
связи тех ядер, которые содержат число нейтронов
и протонов равное 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа
получили название магических.
Модель ядерных оболочек была
предложена в 1949 году М.Гепперт-Майер и Г.Иенсеном,
которые показали, что магические числа нуклонов
и связанные с этим свойства ядер получают
объяснение, если считать, что в ядре создается
некоторое среднее поле с короткодействующим
потенциалом, в котором движутся нуклоны и притом
существует сильное спин-орбитальное
взаимодействие. а разность кинетической энергии нуклонов в оболочечной модели и в жидкокапельной (однородной) модели , что можно рассматривать как оболочечную поправку, равна [20]: где С – подгоночная константа.
В качестве жидкокапельной части формулы
для масс Майерс [23] предлагает так называемую
капельковую (droplet) модель, которая улучшает
формулу Бете-Вейцзекера тем, что во-первых
учитывает отсутствие у ядра строго ограниченной
поверхности, а именно постепенное спадание
плотности нуклонов в поверхностном слое.
Во-вторых учитывается сжимаемость ядра. В связи с
этим в формуле для масс Майерса появляются
поправочные члены пропорциональные А1/3, U(r) = ( где
В связи с этим важным становится понятие плотности уровней. Струтинский [21] предложил описывать плотность уровней, исходя из схемы Нильсона, при помощи непрерывной функции
где для протонов и аналогичного интеграла для
нейтронов. При этом g( E0{2/5(1-x) где M(Z,N,def) = ZMp + NMn – C1Z 2,39
– bv (1 – kvI2)A + с параметрами bv, bs bk, kv ,ks
,kk ,Bs Bk C1. который необычен тем,
что содержит член с Z в положительной дробной
степени.
где S(Z,N)- простейшая
(двухпараметрическая) оболочечная поправка, а
Р(А) поправка на четность (см.( 6)) Оптимальная
формула (12) при 9 свободных параметрах
обеспечивает среднеквадратичное отклонение от
экспериментальных значений |
Другой путь построения массовых
формул основывается на локальном описании
ядерной энергетической поверхности. Отметим
прежде всего разностные соотношения, которые
связывают массы нескольких (обычно шести)
соседних ядер с числами нейтронов и протонов Z, Z+1,
N, N+1. Они были первоначально предложены
Гарвеем и Келсоном [46] и в дальнейшем уточнялись в
работах других авторов ( например в [47] ).
Использование разностных соотношений позволяет
рассчитывать массы неизвестных, но близких к
известным, ядер с высокой точностью порядка 0,1 –
0,3 МэВ. Однако приходится вводить большое число
параметров. Например в работе [31] для вычисления
масс 1241 ядер с точностью 0,2 МэВ потребовалось
ввести 535 параметров. Недостатком является также
то, что при пересечении магических чисел
точность существенно снижается, а это означает,
что предсказательная сила таких формул для
сколько-нибудь далеких экстраполяций невелика. Другой вариант локального описания ядерной энергетической поверхности основывается на идее ядерных оболочек. Согласно многочастичной модели ядерных оболочек взаимодействие между нуклонами не сводится целиком к созданию некоторого среднего поля в ядре. Кроме него следует учитывать еще дополнительное (остаточное) взаимодействие, которое проявляется в частности в виде спинового взаимодействия и в эффекте четности. Как показали де Шалит, Талми и Тибергер [48,49], в пределах заполнения одной и той же нейтронной (под)оболочки энергия связи нейтрона (Bn) и аналогично ( в пределах заполнения протонной (под)оболочки) энергия связи протона (Вр) меняются линейным образом в зависимости от числа нейтронов и протонов, а полная энергия связи является квадратичной функцией Z и N. К аналогичному заключению приводит анализ экспериментальных данных по энергиям связи ядер в работах [50-54] . Причем выяснилось, что это справедливо не только для сферических ядер (как это предполагалось де Шалитом и др.) , но и для областей деформированных ядер. Путем простого разбиения системы ядер на области между магическими числами можно (как показал Леви [51] ) описать энергии связи квадратичными функциями Z и N по крайней мере не хуже, чем с помощью глобальных массовых формул [24-34]. Более серьезный с теоретической точки зрения подход, основанный на работах [48,49] , был использован Зельдесом [54.55]. Он также разбивал систему ядер на области между магическими числами 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, но энергия взаимодействия в каждой из таких областей включала не только квадратичное по Z и N парное взаимодействие нуклонов и кулоновское взаимодействие, но и так называемое деформационное взаимодействие, содержащее симметричные полиномы по Z и N степени более высокой, чем второй. Это позволило значительно улучшить описание энергий связи ядер, хотя привело к увеличению числа параметров. Так для описания 1280 ядер с ![]() В связи с этим кажется очевидной необходимость учета эффекта подоболочек. Однако в то время, когда главные магические числа установлены надежно и в теоретическом и в экспериментальном отношении, вопрос о субмагических числах оказывается весьма запутанным. Фактически нет надежно установленных общепризнанных субмагических чисел (хотя в литературе отмечались нерегулярности некоторых свойств ядер при числах нуклонов 40, 56,64 и других). Причины относительно небольших нарушений регулярностей могут быть различны, Например, как отмечали Гепперт-Майер и Иенсен [17] причиной нарушения нормального порядка заполнения соседних уровней может быть различие в величине их угловых моментов и как следствие в энергиях спаривания. Другой причиной является деформация ядра. Колесников [52,53] совместил проблему учета эффекта подоболочек с одновременным отысканием субмагических чисел на основе разбиения области ядер между соседними магическими числами на такие части, чтобы в пределах каждой из них энергии связи нуклонов (Bn и Bp) можно было описать линейными функциями Z и N, и при условии, что полная энергия связи является непрерывной функцией всюду, в том числе и на границах областей. Учет подоболочек позволил снизить среднеквадратичное отклонение от экспериментальных значений энергий связи до ![]() Например в области самых тяжелых ядер ( Z>82, N>126) при описания ~800 ядер с ![]() В соответствии с этим энергию связи протона - энергию присоединения протона к ядру (Z,N)- в пределах одной и той же междумагической области можно записать в виде:
где индекс i определяет четность ядра
по числу протонов: i = 2 означает Z - четное, а i =1 - Z -
нечетное, ai и bi - константы общие для
ядер с различными индексами j, определяющими
четность по числу нейтронов. При этом
где ci и di-константы, |
Еще одна возможность описания
энергий связи ядер в областях между главными
магическими числами, основывается на
зависимости энергий бета-распада ядер от их
удаленности от линии бета-стабильности. Из
формулы Бете-Вейцзекера следует, что изобарные
сечения энергетической поверхности
представляют собой параболы (см (9),(10)), а линия
бета-стабильности, выходя из начала координат
при больших А все более отклоняется в сторону
нейтронно-избыточных ядер. Однако реальная
кривая бета-стабильности представляет собой
отрезки прямых (см.рис.3) с разрывами в местах
пересечения магических чисел нейтронов и
протонов. Линейная зависимость Z* от A вытекает
также из многочастичной модели ядерных оболочек
де Шалита и др. [48,49]. Экспериментально наиболее
значительные разрывы линии бета-стабильности ![]() ![]()
Как было показано в [51-53], в каждой
из междумагических областей (т.е между главными
магическими числами) энергии бета-плюс и
бета-минус распада
где k и D - константы для области,
заключенной между главными магическими числами.
Кроме области Z>82, N>126, как показывается в [53],
аналогичные линейные зависимости (15) и (16)
справедливы и для других областей, выделяемых
главными магическими числами. Для завершения общей картины изменения энергий
альфа-распада ядер в области тяжелых элементов
на основе экспериментальных данных по энергиям
альфа распада было рассчитано значение энергии
альфа-распада для фиктивных ядер, лежащих на
линии бета-стабильности, Q*a.
Результаты представлены на рис.6. Как видно из
рис. 6, общая стабильность ядер по отношению к
альфа-распаду после свинца быстро возрастает (Q*a
падает) до А
Расчет Qa по формуле
позволяет оследовательно находить
энергии альфа-распада при известном Q*a
с точностью Вместо (22) можно также записать:
|
В последние годы был достигнут
значительный прогресс в изучении сверхтяжелых
ядер; были синтезированы изотопы элементов с
порядковыми номерами от Z = 110 до Z = 118 [56 -65]. При
этом особую роль сыграли эксперименты
проведенные в ОИЯИ в Дубне, где в качестве
бомбардирующей частицы использовался изотоп 48Са,
содержащий большой избыток нейтронов [56-62], Это
позволило синтезировать нуклиды более близкие к
линии бета-стабильности и поэтому более
долгоживущие и распадающиеся с меньшей энергией.
Трудности, однако в том, что цепочка альфа
распада образующихся в результате облучения
ядер не заканчивается на известных ядрах и
поэтому идентификация образующихся продуктов
реакции, особенно их массового числа не
однозначна. В связи с этим, а также для понимания
свойств сверхтяжелых ядер, находящихся на
границе существования элементов необходимо
сопоставление результатов экспериментальных
измерений с теоретическими моделями. Ориентацию могла бы дать систематика энергий ![]() ![]() Что касается теоретических работ, то следует признать, что их выводы далеко не однозначны. Прежде всего это зависит от того какая выбрана теоретическая модель ядра (для области трансфермиевых ядер наиболее приемлемыми считаются макро-микро модель, метод Скирма-Хартри-Фока и модель релятивистского среднего поля). Но даже в рамках одной и той же модели результаты зависят от выбора параметров и от включения тех или иных поправочных членов. Соответственно повышенная стабильность прогнозируется при ( и вблизи) различных магических числах протонов и нейтронов. Так Мёллер [72] и некоторые другие теоретики [73,74] пришли к заключению, что кроме общеизвестных магических чисел (Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82 и N = 126) должно проявляться как магическое еще число Z = 114 в области трансфермиевых элементов, а вблизи Z = 114 и N = 184 должен существовать остров относительно стабильных ядер ( некоторые экзальтированные популяризаторы поспешили пофантазировать по поводу новых якобы стабильных сверхтяжелых ядер и о связанных с ними новых источниках энергии). Однако на деле в работах других авторов [75-79] магичность Z = 114 отвергается и вместо этого магическими числами протонов объявляются Z = 126 или 124. С другой стороны в работах [80],[81] утверждается, что магическими являются числа N = 162 и Z = 108. Однако с этим не согласны авторы работы [82]. Расходятся мнения теоретиков и относительно того должны ли ядра с числами Z = 114, N = 184 и с числами Z = 108, N = 162 быть cферически-симметричными или же они могут быть деформированными. Что касается экспериментальной проверки теоретических предсказаний о магичности числа протонов Z = 114, то в экспериментально достигнутой области с числами нейтронов от 170 до 176 выделенности изотопов 114 элемента (в смысле их большей стабильности ) по сравнению с изотопами других элементов визуально не наблюдается . Сказанное иллюстрируется на 7, 8 и 9. На рис 7, 8 и 9 кроме экспериментальных значений энергий альфа-распада Qa трансфермиевых ядер, нанесенных точками, показаны в виде кривых линий результаты теоретических расчетов. На рис.7 приводятся результаты расчетов по макро-микро модели работы [29], для элементов с четными Z, найденные с учетом мультипольности деформаций до восьмого порядка.
На рис. 8 и 9 представлены результаты расчетов Qa по оптимальной формуле [45] для, соответственно, четных и нечетных элементов. Отметим, что в [29] параметризация производилась с учетом экспериментов, выполненных 5-10 лет назад, тогда как в [45] параметры не корректировались с момента опубликования работы.
Общий характер описания
трансфермиевых ядер ( с Z > 100) в [29] и [45]
примерно одинаков - среднеквадратичное
отклонение
Как видно из формул (11) и (12), Bn
и Bp являются функциями Z и N. Чтобы получить
представление о том, как меняется Bn в
зависимости от числа нейтронов и каков эффект
заполнения различных нейтронных (под)оболочек
оказывается удобным произвести приведение
энергий связи нейтронов на линию
бета-стабильности. Для этого при каждом
фиксированном значении N находилось Bn*
На рис.11 прослеживается
общая тенденция изменения Bp* после
заполнения протонной оболочки Z = 82 -это рост до
урана (Z = 92) и постепенное спадание с оболочечными
колебаниями в области самых тяжелых элементов.
При этом среднее значение энергии меняется от 5
МэВ в области урана до 4 МэВ для самых тяжелых
элементов и вместе с этим уменьшается энергия
спаривания протонов.
Рис.10,11 и 12 не дают, однако, полного представления о том, как меняются энергии связи нуклонов Bn и Bp (и все то, что с ними связано) в зависимости от соотношения между числами нейтронов и протонов. С учетом этого в дополнение к рис. 10,11 и 12 в целях наглядности приводится (в соответствии с формулами (13) и (14)) рис.13, на котором представлена пространственная картина энергий связи нейтронов Bn как функции числа нейтронов N и протонов Z.
Отметим некоторые общие
закономерности , проявляющиеся при анализе
энергий связи ядер области Z>82, N>126, в том числе
на рис.13. Энергетическая поверхность B(Z,N)
непрерывна всюду, в том числе и на границах
областей. Энергия связи нейтронов Bn (Z,N),
меняющаяся линейно в каждой из междумагических
областей, испытывает разрыв только при
пересечении границы нейтронной (под)оболочки,
тогда как при пересечении протонной
(под)оболочки может измениться лишь наклон СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
|