Реферат Изомерные отношения в фотоядерных реакциях. Изомерные отношения в фотоядерных реакциях

• Название: Изомерные отношения в фотоядерных реакциях
• Дата: 15.04.2021
• Размер: 0.63 Mb.
• Имя файла: Реферат Изомерные отношения в фотоядерных реакциях.docx
• Тип: Документы; #195113
• страница: 4 из 4

Механизм фотоядерных реакций

В фотоядерных реакциях происходит следующий процесс: при облучении гаммаквантами возникает переход ядра в ГДР. Оно распадается с вылетом нейтрона или протона как на основной, так и на изомерный уровень. Рассматриваемые в эксперименте ядра оказались β-радиоактивными. Поэтому далее испытывали β-распад с различными периодами, характерными для каждого конкретного изотопа.

На рис. 2-5 приведены диаграммы протекания фотопротонных и фотонейтронных реакций на изотопах олова. На них же указано, как образуются основное и изомерное состояния изотопов. Помимо этого, на диаграммах указан способ распада каждого из ядер с указанием вероятности каждого перехода. Детально, как присходит процесс образования изотопов в ходе, допустим, фотопротонной реакции на изотопах олова: при облучении исследуемой мишени, в данном случае из природного олова (естественная смесь), гамма-квантами происходит переход в ГДР. Распад с испусканием гамма-кванта и переход в основное состояние происходит в результате электромагнитного взаимодействия. β-распад − слабое взаимодейсвтие. Вероятность электромагнитного намного больше, чем у слабого, поэтому практически всегда возбужденные состояния распадаются путем перехода с вылетом гамма-кванта на более низкое по энергии состояние. Из-за большой разницы в спинах основного состояния и изомера вероятность электромагнитного перехода с испусканием гамма-кванта становится сравнимой с вероятностью бета-распада, и становится возможным бета распад из возбужденного состояния.

Рассмотрим это на примере нескольких изотопов. После вылета протона в ходе реакции (γ, p) образуются различные уровни рассматриваемого ядра . Возбужденное состояние при этом, как правило, снимается путем испускания гамма-кванта в ходе электромагнитного взаимодействия, в результате чего происходит переход в более низкое по энергии состояние. Изомеры могут распадаться как на основное, так и на изомерное состояние (что учитывается при обработке результатов эксперимента). Рассмотрим изомерное состояние, оно распадается путем гамма-переходов на основное состояние с периодом полураспада 116.2 минуты с вероятностью 47%. В основном состояние ядро испытывает β-распад с периодом полураспада 43.2 минуты. Но изомер испытывает также и β-распад с вероятностью 53% на уровни олова, в том числе возбужденные, которые распадаются путем вылета гамма-квантов. Эти возбужденные состояния распадаются путем вылета гамма-квантов, которые и измеряются в дальнейшем гамма-спектрометром.

После вылета протона в ходе реакции (γ, p) образуются различные уровни рассматриваемого ядра . Возбужденное состояние снимается путем испускания гамма-кванта в ходе электромагнитного взаимодействия, в результате чего происходит переход в более низкое по энергии состояние. Рассмотрим изомерное состояние, оно распадается путем гамма-переходов на основное состояние с периодом полураспада 18 минут с вероятностью 5,6%. В основном состояние ядро испытывает β-распад с периодом полураспада 2.4 минуты. Но изомер испытывает также и β-распад с вероятностью 94,4% на уровни ядра олова.

После вылета протона в ходе реакции (γ, p) образуются различные уровни рассматриваемого ядра . Возбужденное состояние снимается путем испускания гаммакванта в ходе электромагнитного взаимодействия, в результате чего происходит переход в более низкое по энергии состояние. Рассмотрим изомерное состояние , оно распадается путем гамма-переходов на основное состояние с периодом полураспада 7.7 минут. В основном состояние ядро испытывает захват с периодом полураспада 2.7d.

Изомерное состояние образуется в ходе реакции (γ, n) из . В основном состоянии ядро испытывает β-распад с периодом полураспада 2.7d. Изомерное же состояние испытывает β-распад с вероятностью 100% на уровни ядра Sb. Из-за большой разницы спинов основного и изомерного состояния изомерный переход не наблюдается.





Рис. 2-5: Cхемы протекания фотоядерных реакций на изотопах олова

Метод наведенной активности

Этот метод широко используется для измерения спектров в фотоядерных реакциях, в том числе в НИИЯФ МГУ. В этом методе процесс наблюдения за итогами взаимодействий происходит отдельно от процесса облучения. Сначала происходит облучение мишени, в течение этого времени регистрация продуктов реакций не производится, а уже после облучения переносится на детектор. Там и ведутся все дальнейшие измерения. В этом методе осуществляется измерение активности распадов нестабильных ядер, образовавшихся в результате рассматриваемых реакций. Если конечное ядро в реакции имеет период полураспада в диапазоне от нескольких секунд до нескольких лет, то наведенная активность данного ядра подходит для измерения. Тогда из полученной таким способом активности может быть определен уже выход соответствующей ядерной реакции в ходе облучения.

Метод наведенной активности основан на использовании полупроводниковых γ-спектрометров высокого разрешения, для того чтобы можно было выделить из общей активности вклад непосредственно отдельных реакций. В фотоядерных реакциях с вылетом протонов или нейтронов образуются ядра с недостатком нуклонов соответствующего типа, а для таких ядер β-распад является наиболее характерным видом распада, как рассмотрено выше. По спектру фотонов, которые испускаются в результате β-распада, можно точно определить распадающееся ядро, а по числу этих фотонов (по площади соответствующей линии в спектре), имея период полураспада, можно определить наведенную активность.

Из достоинств метода наведенной активности можно отметить его доступность и простоту. Но у него есть и ряд ограничений. Во-первых, при помощи этого метода изучаются лишь те реакции, в которых конечное ядро является нестабильным и с определенным период полураспада (указанным выше). Во-вторых, имеется сложность с обработкой спектров. При использовании метода наведенной активности для повышения точности результатов вместо измерения одного спектра гамма-квантов обычно осуществляется серия последовательных измерений (как в случае данной работы), так как это позволяет получить зависимость интенсивности распадов от времени (кривую распада исследуемого изотопа). Для максимальной точности результатов обработки нужно, чтобы время измерения каждого спектра было значительно меньше периода полураспада, а суммарная продолжительность измерений должна быть при этом велика по сравнению с ним. Таким образом, число измеряемых спектров достигает нескольких тысяч, и для обработки такого объема данных необходима автоматизация, как процесса измерений, так и анализа данных эксперимента.

При измерении параметров фотоядерных реакций при помощи метода наведенной активности очень важной является информация о изменении интенсивности потока попадающих на мишень γ-квантов в процессе облучения.

Заключение

В рамках гамма-активационной методики учитывается нестабильность тока ускорителя в процессе облучения и влияние, оказываемое на активность продуктов какой-либо реакции распадами изотопов-продуктов других реакций, протекающих в мишени.

Образующиеся в результате фотоядерных реакций изотопы β- радиоактивны и приводят к образованию ядер в возбужденном состоянии. Возбужденные уровни образованного ядра распадаются с испусканием γ- квантов. Образование изотопов может происходить и в ходе фотоядерной реакции, и в результате распада другого изотопа. На рис. 6 показан процесс образования радиоактивного изотопа в случае обоих возможных каналов.



Рис. 6: Схема образования основного и изомерного состояния.

В случае нескольких каналов образования ядра, для определения выходов реакции необходимо решить систему дифференциальных уравнений:



где λ1 и λ2 – постоянные распада, Y1 и Y2 – выходы образования в результате реакции ядер 1 и 2 соответственно, I(t) – ток ускорителя. При решении этой системы уравнений также учитывается квантовый выход гамма-квантов, эффективность детектора и колебания тока ускорителя.

Сам же выход рассчитывается по следующей формуле:

После определения выходов рассчитываются изомерные отношения:



Изотопы в экспериментах выбираются чаще всего таким образом, чтобы все они имели протоны на оболочке на внешней оболочке и их изомерные состояния имели спин-четность, отличающиеся от спинов-четностей основного состояния ядра на несколько единиц. Отсюда есть основания полагать, что изомерные отношения в большинстве случаев будут схожи и отличаться зависимостью по энергии. В ходе экспериментов ожидается, что на большинстве изотопов будет прослеживаться закономерность к увеличению выхода состояний с большим спином, что объясняется ростом энергии вылетевших частиц.

Литература

1. 
   Возбуждение изомерных состояний ядер в фотонейтронных реакциях в области гигантского дипольного резонанса, В.М. Мазур, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2000, том 31, вып. 2;
   
2. 
   Возбуждение изомерных состояний в фотоядерных реакциях, Ю.П. Гангрский, А.П. Тончев, Н.П. Балабанов, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1996, том 27, вып. 4;
   
3. 
   Ишханов Б. С., Юдин Н. П., Эрамжян Р. А. Гигантские резонансы в атомных ядрах // ЭЧАЯ. — 2000. — Т. 31, № 2. — С. 313–349.
   
4. 
   С. С. Белышев и др. // Ядерная физика, т. 77, сс. 856–863, 2014.