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重離子核物理

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1簡介

原子核物理學的一個分支學科。利用加速到各種不同能量的重離子(質量大於α 粒子的離子)轟擊原子核,研究核結構和運動變化規律。這是近20多年來原子核物理學的一個活躍的前沿領域。重離子束也用來研究原子、分子以及凝聚態的結構和性質。

2歷史

多年後
過去多年,人們在實驗中發現並用各種方法研究了近 2000種核素,其中大部分都是處於β穩定線附近的核。根據理論估計,在自然界可能存在著 5000多種核素。也就是說還可能有 3000多種遠離β穩定線的核素有待於進一步認識,這也是重離子核物理一項基礎研究。對於這些核素性質的研究,將大大豐富對核結構的了解。
在60年代後期,核物理學家根據已有的核結構理論,推斷在質子數為114,中子數為184附近可能存在著一系列壽命較長的原子核,稱為超重核,接著預測了它們的物理、化學性質並建議合成它們的各種途徑。在這種理論預言的推動下,一些有條件的實驗室改裝已有的加速器或籌建新的加速器來加速重離子,每核子能量達到幾兆電子伏,以用來研究重離子核反應。迄今,合成超重核的試驗還在進行。儘管這種努力還沒有取得肯定的結果,但是重離子核反應的研究卻取得了重要的進展,開闢了幾個對核結構和核反應機制有重要意義的研究領域。應用重離子束來研究原子、分子、固體及應用於生物和醫學等學科領域的工作,也逐步開展起來,受到了人們的普遍重視。

3重離子核反應反應機制

重離子是具有結構的複合粒子,它所引起的核反應機制在某些重要方面同輕離子核反應有很大的差別。人們還可以根據研究的需要,選擇各種靶核和彈核的結合,這也是重離子核反應的一個獨特的優點。
重離子相對運動的德布羅意波長λ 很短,典型的量級為1/10fm。比原子核的直徑小得多,然而對於4MeV的質子同樣轟擊Th,則 λ≈2.25fm,比重離子的德布羅意波長大得多。因此,重離子碰撞過程的典型情況可以利用經典粒子碰撞的軌道圖像來描述(圖1),重離子碰撞過程的反應機制可以按照碰撞參量b或軌道角動量l來進行分類,即隨著b或l的減少,兩個原子核的相互作用由表面到內部,順次發生彈性散射、非彈性散射(主要是庫侖激發)、轉移反應(重離子核反應中一般將彈性散射、非彈性散射和轉移反應統稱為準彈性散射)、重離子深部非彈性碰撞和全熔合反應(有時隨著b的減小,會先發生全熔合反應,后發生深部非彈性碰撞)。它們的反應截面隨著碰撞系統軌道角動量l值的分佈的典型情況可用圖2和表來表示。  
② 重離子深部非彈性碰撞。
正處於少數自由度參與反應的直接核反應和全熔合反應之間的過渡區域,是一種非平衡態的過程。實驗上已經揭示出各種宏觀物理量如能量、質量、電荷、角動量、中子質子比、角分佈隨相互作用時間而弛豫的一些規律,以及它們之間的一些互相制約關係。理論上用經典動力學方程,非平衡態統計理論等對以上現象進行了一些計算和解釋。但整個研究工作還僅是個開始,問題相當複雜。因為一個強相互作用量子多體系統的非平衡態過程,牽涉的因素很多,例如造成能量耗散的原因有原子核的集體激發、核子激發、核子交換等。而且對不同的反應系統和不同的反應階段,這些因素的主次關係不同。如何正確地區分和處理這些效應,實驗上、理論上都還有困難。此外,原子核又是個粒子數不太多的多體系統,因此更有其特殊性。由於以上種種原因,深部非彈性碰撞仍是重離子核反應的一個主要研究領域。
重離子核反應
。理論預言,當核的自旋逐步增大時,核的結構會發生一系列的變化。由於科里奧利力的作用,對關聯(見核超導性和對關聯)受到削弱。先是使個別的對拆散,當轉移角動量和能量更大時還會引起原子核的相變,由超導相變成正常相。某些原子核的形狀隨著轉動的加快而發生形狀變化。如由長橢球變成非軸對稱橢球或扁橢球。這些理論上的推測已由於在實驗上發現了回彎現象等而得到了部分的驗證。
原子核轉動的進一步加快,原子核的總角動量可以由單粒子角動量的總和給出,而沒有集體運動的貢獻。此時可以出現壽命很長的轉動核,即所謂"陷阱態"。實驗上已經觀察到了某些高自旋的同質異能態。
以上說明了在高速轉動情況下,由於原子核殼層效應、對力、科里奧利力和離心力之間的競爭將導致原子核內部結構發生變化。
在原子物理學中的應用
重離子穿透薄膜時,同媒質中的電子發生強烈的庫侖相互作用,電子被剝離幾率大於複合幾率,所以高速重離子穿過媒質薄膜后,將處於高度剝離的激髮狀態。在薄膜后的不同距離(激發后的不同時刻)測量激發離子發射的光譜,可以研究這些激發態的特性及壽命(見束-箔光譜學)。重離子束的應用給研究原子的內殼層的特性提供了有利的條件,這同天體物理的研究有密切的關係。
在生物、醫學中的應用
重離子已開始應用到放射生物學、放射診斷和放射治療等方面。在放射治療癌症方面,同X 射線相比,重離子在生物體中線能量轉移值高,而且可以精確地控制劑量及射程,定位性能好,射程末端的釋放能量集中,可使殺傷效果集中在需要照射的局部範圍內,而減小對周圍健康組織的損傷。

4重離子加速和探測技術

重離子探測技術
為了研究重離子引起的核反應,首先要對反應產物進行鑒別,確定是什麼核素,同時還要確定該核素產物的能譜和出射角及方位角。對一個產物來講,在實驗中可直接測量的量有總動能、通過一定厚度的薄層媒質時的能量損失、電磁剛度、經過一定距離的飛行時間等,由此可以確定產物的能量、原子序數和質量數(見核物理實驗中的粒子鑒別技術)。產物的出射方向一般由探測器的位置確定,但由於出射道的數目增加,某一特定核素的截面比較小,同時原始產物的繼發衰變使得產物偏離反應平面,所以在許多重離子核物理實驗中常常採用大立體角二維位置靈敏探測裝置。鑒於重離子引起核反應的複雜性,只測量一個產物通常還不足以確定核反應,所以在實驗中往往要進行符合測量,以確定某一反應中幾個產物之間的關聯,如碎片-碎片、碎片-輕粒子、碎片-γ射線之間的關聯等等。
在探測技術的具體選擇上也有其特點。由於重離子產物在媒質中的電離密度大,輻照損傷嚴重,氣體探測器(見氣體電離探測器)得到了廣泛的應用。
在重離子引起的核反應中,反衝產物有足夠的動量,足以飛出靶箔,人們可以直接收集和分析反應的重產物,如使用氣體噴射技術收集反衝核,用電磁速度選擇器直接從束流方向上分離出熔合蒸發的反衝剩餘核,在線同位素分離器是鑒別壽命比較短的核素質量的有效裝置。
在重離子核反應中,反應產物常常處在高自旋高激髮狀態,在退激過程中會放出很多γ射線和不少中子。因此γ多重性測量和中子多重性測量,對研究反應機制和產物性質具有重要意義。在重離子核反應中,這種多重性的測量是通過多個探測器和多參量數據獲取系統而實現的。
可以預期,隨著已有重離子加速器和探測裝置的不斷改進,新的加速器和探測設備的使用,重離子核物理的基礎研究和重離子束的應用將會得到更加廣泛、深入的發展。
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