Как сливаются атомные ядра
Оригинальный подход к описанию ядерного процесса, разработанный в Дубне

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 3 (2005)

Полное слияние ядер с образованием возбужденного составного ядра - один из фундаментальных ядерных процессов, реализующийся в столкновениях двух ядер при низкой и промежуточной энергиях.

Реакции слияния ядер позволили экспериментаторам продвинуться по ряду важных направлений исследований. С их помощью были получены все новые трансурановые элементы, атомный номер которых возрастал со 102 до 112. Именно реакции полного слияния были использованы для синтеза ядер сферических сверхтяжелых элементов, которые, по мнению теоретиков (высказанному еще два десятка лет тому назад), образуют своеобразный остров стабильности по отношению к -распаду и спонтанному делению. Как известно, эта задача была решена в ЛЯР имени Г.Н.Флерова, где были получены самые интенсивные пучки ионов ⁴⁸Са и создана сложнейшая аппаратура для детектирования ядер сверхтяжелых элементов.

Реакции полного слияния позволили получать экзотические ядра с большим недостатком нейтронов и открыть новые виды радиоактивного распада ядер: эмиссию запаздывающих протонов и запаздывающее деление. Было открыто замечательное явление: спонтанное деление тяжелых ядер из изомерного состояния. С помощью реакций полного слияния удалось резко расширить представления о процессе деления ядер и изменение формы ядра при его быстром вращении.

И вместе с тем, как это ни парадоксально, сам механизм формирования составного ядра оставался открытой научной проблемой. Две главные причины серьезно затрудняли его выявление. Первая - закрытый характер ядерного процесса. Сливающиеся ядра не посылали во внешний мир сигналов, которые позволили бы выявить механизм формирования составного ядра. Экспериментаторы регистрировали на своих установках продукты распада возбужденного составного ядра, но природа составного ядра такова, что оно полностью "забывает" историю своего формирования.

Вторая причина - исключительная сложность теоретического анализа перестройки двух многонуклонных ядерных систем в одну единую. Теоретики создавали теоретические модели, для которых они были вынуждены вносить весьма серьезные упрощения в реальный ядерный процесс. Атомные ядра, состоящие из нейтронов и протонов и обладающие оболочечной структурой, заменялись каплями однородной вязкой ядерной жидкости. С помощью этих моделей удавалось описать экспериментальные данные о вероятностях образования составных ядер. Однако при дальнейшем развитии экспериментальных исследований и прежде всего использовании более массивных тяжелых ионов неизбежно возникали противоречия между предсказаниями моделей и данными экспериментов.

Открытие в ЛЯР нового, не известного ранее класса ядерных реакций - глубоконеупругих передач (РГНП) позволило по-новому подойти и к анализу процесса полного слияния ядер. Между РГНП и реакциями полного слияния имеется много общего. В обеих реакциях в момент столкновения ядер происходит полная диссипация кинетической энергии, между ядрами действуют консервативные и диссипактивные силы одной природы и даже существуют угловые моменты столкновений, в которых могут быть реализованы оба класса реакций. Вместе с тем РГНП обладают одним важным преимуществом - это открытые реакции. Изучая зарядовое, массовое, энергетическое и угловое распределения продуктов РГНП, можно получить довольно полное представление об эволюции двойной ядерной системы (ДЯС), которая формируется после полной диссипации кинетической энергии столкновения. РГНП дают нам уникальную информацию о том, как взаимодействуют два ядра, оказавшиеся в тесном контакте после полной диссипации кинетической энергии столкновения. Именно эта информация и была использована для раскрытия механизма формирования составного ядра.

Оказалось, что основным содержанием процесса полного слияния ядер является формирование ДЯС на стадии захвата и ее эволюция, протекающее путем последовательной, оболочка за оболочкой, передачи нуклонов от более легкого к более тяжелому ядру. Весьма существенно, что в процессе этой эволюции ядра ДЯС сохраняют свою индивидуальность - следствие оболочечной структуры ядер. Со временем этот подход к описанию процесса полного слияния ядер получил название концепции двойной ядерной системы (КДЯС).

КДЯС не является чисто теоретической моделью. Она скорее напоминает концепцию составного ядра, предложенную в свое время Нильсом Бором, и дает сценарий механизма формирования составного ядра, описание того, как в реальности протекает процесс слияния атомных ядер.

КДЯС выявила две важные особенности в слиянии массивных ядер: возникновение потенциального барьера на пути к полному слиянию ядер и конкуренцию между процессами полного слияния ядер и квазиделением. В квазиделении ядра не сливаются, а распадаются на два фрагмента различной массы.

Теоретики Г.Г.Адамян, Н.В.Антоненко, Р.В.Джолос, С.П.Иванова, А.К.Насиров - ЛТФ имени Н.Н.Боголюбова, Е.А.Черепанов - ЛЯР имени Г.Н.Флерова, Г.Джиардино - Департамент физики университета Мессина, Италия, В.Шайд - Институт теоретической физики университета Юстуса, Либига, Германия разработали: модель конкуренции между каналами полного слияния и квазиделения специально для реакций синтеза трансактинидных и сверхтяжелых элементов, модели оптимальной энергии столкновения ядер, модели массового распределения продуктов квазиделения, влияние изотопного состава сталкивающихся ядер на выход сверхтяжелых элементов, роль деформации и энергии сталкивающихся ядер при их слиянии.

Была продемонстрирована драматическая роль канала квазиделения в реакциях "холодного синтеза", где в качестве мишеней используются ядра ²⁰⁸Pb и ²⁰⁹Bi. Был интерпретирован отрицательный результат синтеза элемента 118 в реакции ²⁰⁸Pb+⁸⁶Kr (эксперимент в Беркли), показана бесперспективность использования симметричных ядерных реакций для синтеза сверхтяжелых элементов. Фактически КДЯС позволяет воспроизвести все наиболее важные особенности синтеза трансактинидных и сверхтяжелых элементов. Можно сказать, что КДЯС дает на сегодня наиболее реалистическое представление о процессе слияния массивных ядер и механические формирования составного ядра. Ее преимущество перед теоретическими моделями состоит в том, что она опирается на реальную экспериментальную информацию о взаимодействии ядер в глубоконеупругих столкновениях, полученную при изучении реакций глубоконеупругих передач.

В.В. Волков

Выполненные коллективом масштабные исследования реакция с тяжелыми ионами, основанные на введенной авторами концепции двойных ядерных систем, совершенно оригинальны. Это впервые сделанное предсказание и открытие новых процессов и явлений. Указанные исследования являются основополагающими, получили развитие в международной науке, где они имеют большое влияние. Результаты исследований постоянно докладываются на конференциях, публикуются в ведущих российских и международных журналах, имеется хорошее международное сотрудничество. Я постоянно встречаю ссылки на эти работы в международной научной литературе.

(Из отзыва главного научного сотрудника НИИЯФ МГУ профессора В.Г.Неудачина)