W monografii zaprezentowano badania własności stanu metastabilnego Iπ = Kπ = 8- w jądrach 130 Ba, 132 Ce, 134 Nd i 184 Pt przy wykorzystaniu techniki pomiarowej bazującej na spektrometrii elektronów konwersji wewnętrznej oraz gamma stosowanych w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Występowanie stanów metastabilnych w jądrach atomowych jest dosyć powszechnym zjawiskiem. Zidentyfikowano 2469 wzbudzonych stanów izomerycznych o półokresie rozpadu powyżej 10 ns. Jednym z rodzajów stanów metastabilnych są izomery K. Mechanizm rozpadu tych stanów izomerycznych, mimo wielu lat badań, nadal nie jest w pełni wyjaśniony. Przedstawione w tej pracy wyniki badań stanu izomerycznego Iπ = Kπ = 8- występującego w jądrach 130 Ba, 132 Ce, 134 Nd i 184 Pt oraz ich interpretacja teoretyczna pokazały, że analizując osłabienie wzbronienia dla przejść elektromagnetycznych w rozpadzie tych stanów, należy uwzględnić oprócz siły Coriolisa również nieosiowy kształt jąder. W publikacji zostały też opisane spektrometry elektronów konwersji wewnętrznej zbudowane w Uniwersytecie Łódzkim, a wykorzystane w tych badaniach.
Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii
Darmowy fragment publikacji:
Jarosław Perkowski – Uniwersytet Łódzki, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Katedra Fizyki Jądrowej i Bezpieczeństwa Radiacyjnego, 90-236 Łódź, ul. Pomorska 149/153
RECENZENT
Jan Kownacki
REDAKTOR INICJUJĄCY
Beata Koźniewska
SKŁAD I ŁAMANIE
Jarosław Perkowski
KOREKTA TECHNICZNA
Leonora Wojciechowska
PROJEKT OKŁADKI
Katarzyna Turkowska
Zdjęcie wykorzystane na okładce: © Depositphotos.com/Vanzyst
Wydrukowano z gotowych materiałów dostarczonych do Wydawnictwa UŁ
© Copyright by Jarosław Perkowski, Łódź 2017
© Copyright for this edition by Uniwersytet Łódzki, Łódź 2017
Wydane przez Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego
Wydanie I. W.08050.17.0.M
Ark. druk. 10,625
ISBN 978-83-8088-678-0
e-ISBN 978-83-8088-679-7
Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego
90-131 Łódź, ul. Lindleya 8
www.wydawnictwo.uni.lodz.pl
e-mail: ksiegarnia@uni.lodz.pl
tel. (42) 665 58 63
Spis treści
Podziękowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
9
Rozdział 1. Spektroskopia elektronów konwersji wewnętrznej 15
1.1 Zjawisko konwersji wewnętrznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Spektrometria elektronów konwersji wewnętrznej . . . . . . . . . . . 20
1.3 Przegląd spektrometrów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Spektrometry skonstruowane w Uniwersytecie Łódzkim . . . . . 34
1.4.1
Spektrometr wykorzystywany w latach 2005–2012 . . . . 34
1.4.2 ULESE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Rozdział 2. Badanie izomerów K w jądrach o N = 74
i N = 106 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
130Ba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2
132Ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.3
134N d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.4
184P t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.5
2.6 Podsumowanie rezultatów eksperymentów . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Rozdział 3. Interpretacja teoretyczna wyników eksperymen-
talnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.1 Rola oddziaływania Coriolisa w rozpadzie izomerów K . . . . . . 115
3.2 Wpływ trójosiowości jąder atomowych na rozpad izomerów K 124
3.3 Porównanie wyników eksperymentalnych z przewidywaniami
modeli teoretycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Rozdział 4. Wnioski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Aneks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
O Autorze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5
Podziękowania
Serdecznie dziękuję Panu Profesorowi Józefowi Andrzejewskiemu z Wydzia-
łu Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego za wieloletnią
opiekę naukową, ogromną życzliwość i wszechstronną pomoc.
Szczególne podziękowania składam Panu Profesorowi Chrystianowi Dro-
ste z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego za wnikliwą recenzję
uzyskanych przeze mnie wyników badań dotyczących izomerów K i nieoce-
nioną pomoc w tworzeniu publikacji i napisaniu tej monografii.
Serdecznie dziękuję dr. Julianowi Srebrnemu ze Środowiskowego Labora-
torium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego (ŚLCJ UW) za twórczą
inspirację do działania, entuzjazm i przekazaną wiedzę.
Chciałbym również podziękować dr. hab. Leszkowi Próchniakowi z ŚLCJ
UW za wykonanie obliczeń teoretycznych w ramach modelu HFB oraz po-
moc w formułowaniu wniosków płynących z porównania danych ekspery-
mentalnych z przewidywaniami teoretycznymi.
Serdecznie dziękuję również Panu Profesorowi Janowi Kownackiemu
z ŚLCJ UW za niezwykłą życzliwość i przekazaną wiedzę dotyczącą sto-
sowanych metod w spektroskopii gamma.
Chciałbym również podziękować osobom wchodzącym w skład konsor-
cjum „EAGLE” za wszechstronną pomoc w przygotowaniu eksperymentów
i ich realizację.
Również bardzo dziękuję Dyrekcji ŚLCJ UW, jak i operatorom cyklo-
tronu za stworzenie bardzo dobrych warunków dla wykonywania ekspery-
mentów.
Przedstawione w pracy badania izomerów K były finansowane z projektu
Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr N N202 181638 pt. „Bada-
nie wpływu trójosiowości jąder atomowych na rozpad izomerów Kπ = 8−
7
Podziękowania
w nuklidach o liczbie neutronów N=74 metodą wyznaczania współczynni-
ków konwersji wewnętrznej” oraz projektu NCN w ramach konkursu OPUS 2
nr 2011/03/B/ST2/02660 pt. „Badanie K-izomerów za pomocą spektrome-
tru elektronów”.
Wstęp
Występowanie stanów izomerycznych w jądrach atomowych jest dosyć po-
wszechnym zjawiskiem. Zidentyfikowano 2469 wzbudzonych stanów izome-
rycznych o półokresie rozpadu powyżej 10 ns [1]. Powstanie stanów me-
tastabilnych może być wynikiem zmiany kształtu jądra pomiędzy stanem
wzbudzonym a podstawowym, lub też dużej różnicy spinów między tymi
stanami (np. o 8 jednostek w 180T e), lub też zmiany orientacji przestrzen-
nej wektora całkowitego momentu pędu jądra. Rzut całkowitego momentu
pędu jądra na jego oś symetrii jest zwyczajowo oznaczany dużą literą „K”,
w związku z czym ten ostatni rodzaj stanów metastabilnych jest określany
mianem izomerów K. Liczba kwantowa K określa właśnie rzut całkowitego
momentu pędu jądra na tą oś [2]. Ten typ izomerów można znaleźć w jądrach
zdeformowanych o kształcie piłki do rugby (z ang. prolate) charakteryzują-
cymi się strukturą daleką od zamkniętych powłok neutronowych lub pro-
tonowych. Mechanizm rozpadu tych stanów izomerycznych mimo wielu lat
badań nadal nie jest jasny [2–5]. Jeśli liczba kwantowa K jest dobrą liczbą
kwantową powinna ona być zachowana podczas deekscytacji wzbudzonych
stanów jądrowych zgodnie z regułą określoną równaniem 1 [3].
λ ∆K = |Ki − Kf|
(1)
gdzie: λ jest multipolowością przejścia, pochodzącego z rozpadu stanu izo-
merycznego, natomiast Ki i Kf są to liczby kwantowe K określające stan
początkowy i końcowy jądra.
Jednakże proces deeksytacji jest obserwowany dla takich przejść, więc
są one nie tyle wzbronione, co silnie tłumione, co jest uwidocznione poprzez
wydłużenie czasów życia tych stanów wzbudzonych. Powodem takiej sytu-
acji jest fakt, że liczba K nie jest „dobrą” liczbą kwantową i funkcje falowe
opisujące wzbudzone stany jądrowe oprócz wartości nominalnych zawierają
9
Badanie stanów izomerycznych I π = Kπ = 8−...
również domieszki o innych wartościach tej liczby [2,3]. W związku z powyż-
szym prawdopodobieństwo deekscytacji danego poziomu może być opisane
przez części funkcji falowych o takich wartościach liczby K, dla których
powyższe równanie 1 jest spełnione.
W celu określenia ilościowego jak bardzo dane przejście radiacyjne jest
wzbronione wprowadza się stopień wzbronienia ν zdefiniowany następują-
co [4, 5]:
ν = ∆K − λ
(2)
Wprowadza się również współczynnik wzbronienia F, który pokazuje
w jakim stopniu przejście jest spowolnione w porównaniu z przewidywania-
mi opartymi na modelu jedno-cząstkowym jądra atomowego, a wyrażonymi
przez wzory Weisskopfa [5, 6]:
F =
T p
1/2
T W
1/2
(3)
gdzie: T p
1/2 jest parcjalnym półokresem życia dla danego przejścia, natomiast
T w
1/2 jest wartością obliczoną na podstawie wzorów Weisskopfa. W celu lep-
szego porównania otrzymywanych wartości dla różnych jąder atomowych
wprowadza się zredukowany współczynnik wzbronienia fν zdefiniowany na-
stępująco [4, 5]:
fν = F 1/ν
(4)
Za powstanie domieszek o różnym K w funkcji falowej danego stanu mo-
że odpowiadać oddziaływanie Coriolisa pomiędzy nukleonami tworzącymi
dany stan wzbudzony a rotującym rdzeniem. Jednakże również trójosiowość
oznaczona parametrem γ opisująca nie osiową deformację jądra [2, 3] mo-
że być odpowiedzialna za powstanie tych domieszek. Wartość parametrów
β , 0 γ = 0◦ odpowiada sytuacji, gdy dane jądro jest osiowo zdeformowane,
natomiast im większa jest jego wartość (aż do 30°) tym większe odstępstwo
od symetrii osiowej i przejście do kształtu nieregularnego [6, 7]. Typowym
przykładem izomeru K jest stan w jądrze 180Hf, gdzie występuje stan izo-
meryczny o czasie połowicznego rozpadu 5.5 godziny i energii 1.1 MeV [8].
Ten stan jest opisany poprzez I π = Kπ = 8−, a rozpada się między innymi
do stanu o K = 0 i spinie 8+ poprzez emisję kwantu γ o energii 58 keV
i multipolowości przejścia E1 (λ = 1). Oznaczenie Kπ = 8− określa, że
10
Wstęp
wartość dominującej składowej liczby K wynosi 8. Przejście to jawnie łamie
regułę podaną w równaniu 1.
Celem prezentowanych w tej pracy badań było poznanie własności sta-
nu izomeryczny I π = Kπ = 8− występujący w jądrach atomowych o liczbie
neutronów odpowiednio 74, 106 i 150, co odpowiada liczbie masowej około
A=130, A=180 i A=250. Ten izomer K występuje w jądrach zdeformowa-
nych typu „prolate” i jest interpretowany w oparciu o zdeformowany model
powłokowy (model Nilssona) jako stan dwucząstkowy (neutronowy) o na-
stępującej konfiguracji dla [4, 5]:
ν7/2[404] ⊗ ν9/2[514]
ν7/2[514] ⊗ ν9/2[624]
ν7/2[624] ⊗ ν9/2[734]
dla N = 74
dla N = 106
dla N = 150
W ramach modelu powłokowego we wszystkich przypadkach mamy do
czynienia z jądrami charakteryzującymi się 24 neutronami poza zamkniętą
powłoką. Stan izomeryczny o podobnej strukturze powłokowej, ale inter-
pretowany jako stan dwuprotonowy można znaleźć w izotopach wolframu,
dla którego liczba atomowa wynosi Z=74 [9]. Półokresy życia tych stanów
izomerycznych wahają się od kilkunastu sekund do pojedynczych ns [8]. Wy-
kres obrazujący półokres rozpadu stanów I π = Kπ = 8− w funkcji energii
wzbudzenia tych stanów jest przedstawiony na rysunku 1.
We wszystkich przypadkach stany I π = Kπ = 8− rozpadają się mię-
dzy innymi poprzez przejścia elektromagnetyczne rodzaju E1 łączące je ze
stanami 8+ z pasma stanu podstawowego o K = 0. W tych przypadkach
stopień wzbronienia ν obliczony według wzoru 2 wynosi 7. Oprócz przejść
E1 obserwuje się również przejścia o wyższej multipolowości nie tylko do
tego pasma rotacyjnego, ale również do pasma quasi-gamma. Możliwe drogi
rozpadu badanego stanu izomerycznego I π = Kπ = 8− są pokazane odpo-
wiednio dla jąder o liczbie neutronów 74 i 106 na rysunku 2 i 3. W obu
przypadkach można zaobserwować zależność pomiędzy różnicą energii sta-
nów 8− i 8+ a półokresem życia stanu izomerycznego. W celu scharakte-
ryzowania własności danego izomeru K niezbędna jest pełna informacja
o wszystkich możliwych drogach rozpadu. W tym celu istnieje potrzeba po-
znania mutlipolowości przejść elektromagnetycznych rozładowujących ten
stan izomeryczny.
11
Badanie stanów izomerycznych I π = Kπ = 8−...
Celem badań podjętych przez autora pracy była chęć poznania mecha-
nizmów odpowiedzialnych za rozpad izomerów K, a w szczególności roli
jaką odgrywa w nich trójosiowość. W celu poznania wpływu odstępstwa
kształtu jądra od symetrii osiowej podjęto badania rozpadu stanu izome-
rycznego I π = Kπ = 8− występującego w jądrach atomowych o liczbie
neutronów N = 74: 130Ba, 132Ce, 134N d oraz o N = 106 w 184P t. Wszystkie
te jądra charakteryzują się deformacją typu prolate i wartością parametru
γ = 20 ÷ 25◦. Badania wykonano za pomocą połączonej spektrometrii elek-
tronów konwersji wewnętrznej i kwantów γ. Zastosowanie jednocześnie obu
tych spektrometrii pozwoliło na wyznaczenie multipolowości przejść radia-
cyjnych rozładowujących izomer K, a co za tym idzie obliczenie parcjalnych
czasów życia, współczynników wzbronienia F i ich zredukowanych warto-
ści fν.
Rysunek 1. Półokresy życia izomerów K o K = 8 w funkcji energii wzbudzenia występu-
jące w jądrach atomowych o liczbie neutronów: 74, 106 i 150 oraz dla izotopów wolframu
(Z=74) [8]. Źródło: oprac. własne.
12
Wstęp
Rysunek 2. Energie poziomów 8−, 8+, 6+ i 5+ w jądrach o N = 74, gdzie występuje
stan izomeryczny I π = K π = 8− (lewa skala) oraz różnica energii stanów 8− i 8+ jest
przedstawiona w postaci czarnych kwadratów wraz półokresami rozpadu [8] (prawa skala).
Źródło: oprac. własne.
Rysunek 3. Energie poziomów 8−, 8+ (lewa skala) oraz ich różnica oznaczona podobnie jak
poprzednio za pomocą czarnych kwadratów (prawa skala) w jądrach o liczbie neutronów
106, gdzie występuje stan izomeryczny I π = K π = 8− [8]. Źródło: oprac. własne.
13
Badanie stanów izomerycznych I π = Kπ = 8−...
Charakterystyka spektroskopii elektronów konwersji wewnętrznej oraz
opis wykorzystanych w pomiarach spektrometrów został przedstawiony
w Rozdziale 1. Rozdział 2 prezentuje wyniki doświadczalne. Ostatnia część
pracy jest próbą interpretacji teoretycznej otrzymanych wyników wykorzy-
stując model jądra atomowego Davydova-Filipova [10], który to pozwala
ocenić rolę trójosiowości jądra w rozpadzie izomerów K. Określony został
również wpływ konkurencyjnego mechanizmu w postaci oddziaływania Co-
riolisa. Aneks zawiera kody programów napisanych przez autora pracy w ję-
zyku „C++” użytych do analizy danych eksperymentalnych i opracowań
teoretycznych.
Pobierz darmowy fragment (pdf)
Gdzie kupić całą publikację:
Badanie stanów izometrycznych Iπ = Kπ = 8- w jądrach trójosiowych metodami spektroskopii elektronów konwersji wewnętrznej i promieniowania γ
Jarosław Perkowski
Opinie na temat publikacji:
Inne popularne pozycje z tej kategorii:
Czytaj również:
Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką :
