Đang tải... (xem toàn văn)
xác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtxác định spin chẵn lẻ của sắtvv
Science & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015 Ứng dụng mẫu đơn hạt việc xác định spin độ chẵn lẻ mức hạt nhân 59Fe Nguyễn An Sơn Đặng Lành Trường Đại học Đà Lạt ( Bài nhận ngày 03 tháng 02 năm 2015, nhận đăng ngày 18 tháng 06 năm 2015) TÓM TẮT Spin độ chẵn lẻ mức kích thích chẵn lẻ mức trung gian trạng 59 mức hạt nhân hai đại lượng thái hạt nhân Fe Kết quan trọng tính chất lượng tử so sánh với thực nghiệm trước hạt nhân Tuy nhiên, Việt Nam Kết báo cho thấy chưa có hệ đo xác định trực tiếp phù hợp ứng dụng mẫu đơn hạt hai đại lượng Bài báo trình bày phương hạt nhân A lẻ vùng hạt nhân trung bình pháp dùng mẫu lớp để xác định spin độ Từ khóa: Spin hạt nhân, độ chẵn lẻ, mức kích thích, mẫu lớp, mẫu đơn hạt MỞ ĐẦU Các đặc trưng lượng tử hạt nhân vấn đề cần quan tâm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân lý thuyết thực nghiệm Tuy nhiên, số đặc trưng lượng tử khó xác định thực nghiệm, chẳng hạn spin độ chẵn lẻ mức trung gian Thơng thường, hệ đo tương quan góc thường dùng việc xác định spin độ chẵn lẻ mức kính thích trung gian Cho đến nay, Việt Nam chưa có hệ phổ kế đo đạc spin lượng kích thích mức trung gian Tại Lò phản ứng Đà Lạt có hệ trùng phùng gamma – gamma, hệ xác định tất spin mức trung gian cách trực tiếp, mà giải đoán giá trị lượng mức trung gian spin độ chẵn lẻ mức qua lượng cặp chuyển dời nối tầng [1, 2] Trên sở sử dụng mẫu cấu trúc hạt nhân để hỗ trợ giải số vấn đề mà thực nghiệm khó xác định, tùy vào loại hạt nhân Trang 92 tính chất cần quan tâm mà sử dụng mẫu lý thuyết khác Ở hạt nhân nhẹ, mẫu giọt chất lỏng phù hợp giải thích số tính chất lượng liên kết; hạt nhân trung bình khơng bị suy biến mẫu lớp phù hợp cả; hạt nhân nặng suy biến mẫu suy rộng ứng dụng nhiều Tuy nhiên, tính tốn đến spin độ chẵn lẻ hạt nhân trạng thái mức kích thích mẫu lớp phù hợp cho hạt nhân dải số khối 20 < A < 120 Sắt kim loại sử dụng thiết kế số thiết bị cấu trúc Lò phản ứng hạt nhân Do vậy, để tiếp cận với cơng nghệ Lò phản ứng, việc nghiên cứu tính chất vật liệu cần thiết thiết thực 59Fe hạt nhân trung bình, có A lẻ, lý thuyết mẫu đơn hạt áp dụng cho q trình tính tốn với hạt nhân Các nghiên cứu trước xác định lượng chuyển dời gamma 59Fe kết giải kích thích từ phân rã beta 59Mn Một TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T1 - 2015 số cơng trình xác định mức spin thực nghiệm [3, 4] Tuy nhiên tác giả xác định spin thực nghiệm mức lượng thấp < MeV Việc khó khăn xác định thực nghiệm tia gamma 59Fe 59Fe tiếp tục phân rã beta để 59Co, thời gian bán rã 59Mn ngắn, khoảng 4,59 s [5] Cơng trình nghiên cứu thực nghiệm đầy đủ cơng trình Coral M Baglin [5] Ở nghiên cứu này, tác giả đo tính lượng, cường độ chuyển dời, hệ số rẽ nhánh tia gamma phát 59 Fe giải kích thích từ q trình phân rã beta 59Mn Các công bố trước chưa thấy có cơng trình cơng bố áp dụng mẫu cấu trúc hạt nhân cho việc tính tốn đặc trưng lượng tử mức lượng kích thích CƠ SỞ LÍ THUYẾT Mẫu lớp hạt nhân xây dựng theo mơ hình mẫu ngun tử, cách chuyển toán hệ nhiều nucleon (bài toán nhiều hạt) toán hạt chuyển động trường xuyên tâm tự hợp Giải toán Schodinger chuyển động nucleon trường tự hợp nhận hệ trạng thái ứng với mức lượng xác định Theo nguyên lý loại trừ Pauli, nucleon hạt nhân chiếm mức lượng, mức thấp Phương pháp đơn giản mẫu lớp mẫu đơn hạt hạt nhân có số khối A lẻ Trong mẫu này, ngoại trừ nucleon lẻ cuối nucleon lại tạo nên lõi đối xứng cầu với moment động lượng moment từ không Như vậy, tính chất hạt nhân định tính chất nucleon lẻ khơng liên kết cặp Trong hạt nhân, trạng thái nucleon trường tự hợp đặc trưng số lượng tử n, l, j mj Với n số lượng tử nhận giá trị nguyên 1, 2, 3, … xác định phân bố mức lượng tăng dần; l số lượng tử quỹ đạo nhận giá trị 0, 1, 2, 3, … ký hiệu s, p, d, f, … ; j moment toàn phần (spin) nucleon, j = l 1/2; mj hình chiếu j, mj = -j, -j-1, …, j-1, j nhận 2j+ giá trị Các mức xếp theo thứ tự tăng dần đặc trưng số lượng tử n l Theo nguyên lý loại trừ Pauli trình bày Bảng 1, mức chứa tối đa N = 2(2l + 1) nucleon loại proton hay neutron Bảng Các trạng thái nhận từ việc giải phương trình Schodinger với chữ nhật [6, 7] Trạng thái 1s 1p 2s 1d 1f l N = 2(2l + 1) 10 14 Thông thường mức lượng nucleon hạt nhân ký hiệu số lượng tử 2p 1g 2d 3s 1h 2f 3p 18 10 22 14 n, l, j Bảng Hình mơ tả phân bố mức mẫu lớp Trang 93 Science & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015 Bảng Các trạng thái ứng với lớp vỏ có tính đến spin quỹ đạo [6, 7] Lớp vỏ Trạng thái mj N I 1s1/2 2 II 1p3/21p1/2 4+2 III 1d5/22s1/21d3/2 6+2+4 20 IV 1f7/21f5/22p3/22p1/21g9/2 + + + + 10 50 V 1g7/22d5/22d3/23s1/21h11/2 + + + + 12 82 VI 1h9/22f7/22f5/23p3/23p1/21i13/2 10 + + + + + 14 126 1h11/2 3s1/2 2d3/2 2d5/2 1g7/2 1g9/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 82 1j15/2 3d3/2 4s1/2 2g7/2 1i11/2 3d5/2 2g9/2 50 28 126 20 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 1i13/2 3p1/2 3p3/2 2f5/2 2f1/2 1h9/2 82 Hình Sơ đồ mức nucleon hạt nhân theo mẫu lớp Spin hạt nhân xác định theo ngun tắc sau: Nếu hạt nhân có A lẻ spin hạt nhân spin nucleon riêng lẻ khơng liên kết cặp; Các trường hợp khác spin hạt nhân xác định theo quy tắc Brennan – Bernstein [7] (áp dụng 20 < A < 120) sau: Nếu l lớp cuối proton neutron chẵn - lẻ lẻ - chẵn spin hạt nhân xác định theo hiệu spin lớp cuối, J = Jp – Jn; Trang 94 Nếu l lớp cuối proton neutron lẻ - lẻ spin hạt nhân xác định theo tổng spin lớp cuối, J = Jp + Jn; Nếu l lớp cuối proton neutron chẵn – chẵn spin hạt nhân J = Jp + Jn - 1 Độ chẵn lẻ xác định theo nguyên tắc Trường hợp hạt nhân A lẻ l xác định l lớp nucleon không liên kết cặp Các trường hợp khác xác định theo tổng l hai lớp proton neutron cuối (1)l Khi hạt nhân phát gamma khơng làm thay đổi số proton neutron hạt nhân, mà trình xếp lại cấu trúc lớp TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T1 - 2015 neucleon Quá trình phát gamma dạng dịch chuyển điện từ Giả sử hạt nhân có lượng, spin độ chẵn lẻ trạng thái đầu tương ứng Ei, Ji, i trạng thái kề sau Ef, Jf, f , lượng tia gamma phát xác định từ độ lệch hai mức lượng: E = Ei - Ef (1) Gamma photon, tức hạt boson, có spin 1, spin J photon phải nguyên dương Trong dịch chuyển điện từ hai trạng i f thái hạt nhân J i J f spin J photon xác định từ hệ thức tam giác sau: Ji J f J Ji J f (2) Độ chẵn lẻ bảo tồn q trình dịch chuyển điện từ if = (3) Như độ chẵn lẻ photon dương i = f phải âm i = -f Trong dịch chuyển điện thì: (1) J (4) dịch chuyển từ thì: (1) J 1 (5) Bức xạ gamma với J = gọi xạ lưỡng cực, J = gọi xạ tứ cực, J = gọi xạ bát cực, … KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM Sắp xếp nucleon theo mẫu lớp Hạt nhân 59Fe có 26 proton 33 neutron Hình trình bày xếp nucleon 59Fe theo mẫu lớp Ở trạng thái bản, xếp nucleon hạt nhân sau: 6 Proton: 1s1/21p3/21p1/21d5/2 2s1/21d 3/21f 7/2 Neutron: 1/2 6 1s 1p3/2 1p1/2 1d5/2 2s1/2 21d3/2 1f7/2 f5/2 p3/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 1f7/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 1s1/2 2.A) Sắp xếp proton 2.B) Sắp xếp neutron 59 Hình Sự xếp nucleon Fe trạng thái Trang 95 Science & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015 Như với xếp này, 59Fe trạng thái có spin định nucleon riêng lẻ, neutron nằm mức 2p3/2, tức spin hạt nhân I = 3/2, độ chẵn lẻ (1)l (1)1 1 Như vậy, mức I = 3/2- Kết phù hợp với kết thực nghiệm xác định [5, 8] Bây xem hạt nhân 59Fe gồm lõi hạt nhân với liên kết cặp bền 26 proton 26 neutron Các mức kích thích có thay đổi mức neutron thừa mức Vậy xem xét trường hợp cụ thể sau: Mức kích thích thứ nhất: neutron lớp 2p3/2 nhảy lên mức cao liền kề (Hình 3), tức mức 2p1/2 Như mức kích thích độ l chẵn lẻ (1) (1) 1 , spin 2p1/2 2p3/2 1f5/2 hạt nhân mức kích thích I = 1/2- Mặt khác, mức 2p3/2 khơng nucleon, theo quy tắc, spin hạt nhân định spin mức độ chẵn lẻ ngược với độ chẵn lẻ mức này, tức mức kép, có thêm I = 3/2+ Mức kích thích thứ hai: neutron từ mức 1f5/2 dịch chuyển lên mức 2p1/2 (Hình 4), nên spin hạt nhân định mức lẻ, tức mức 1f5/2 (còn neutron) Như mức kích thích độ l chẵn lẻ (1) (1) 1 , hạt nhân mức có spin I = 5/2- Tương tự giải thích mức kích thích thứ nhất, spin hạt nhân ảnh hưởng mức 2p3/2 khơng nucleon, có thêm I = 3/2+ 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 1f7/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 1s1/2 Hình Mức kích thích thứ Hình Mức kích thích thứ hai Mức kích thích thứ ba: neutron mức 1f5/2 chuyển lên mức 2p3/2 (Hình 5), nên spin hạt nhân định mức lẻ, tức mức 1f5/2 (còn neutron) Như mức kích thích hạt nhân có spin I = 5/2- Mức kích thích thứ tư: neutron mức 1f5/2 tiếp tục chuyển lên mức 2p3/2 (Hình 6) Do spin hạt nhân mức định lớp nucleon lẻ, tức mức 2p 3/2, hạt nhân mức có spin I = 3/2- Trang 96 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T1 - 2015 2p1/2 2p3/2 1f5/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 1f7/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 Hình Mức kích thích thứ ba 1s1/2 Hình Mức kích thích thứ tư Tương tự vậy, spin độ chẵn lẻ mức kích thích thứ năm I = 7/2+, mức thứ sáu I = 3/2-, mức thứ bảy I = 5/2-, mức thứ tám mức kép với I = 3/2- I = 5/2+, mức thứ chín mức kép với I= 7/2- I = 5/2+, mức thứ mười mức kép với I = 3/2- I = 5/2+ Hình 7, 8, 9, 10, 11, 12 trình bày xếp neutron lớp 1g7/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1g7/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 1f7/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 Hình Mức kích thích thứ năm 1s1/2 Hình Mức kích thích thứ sáu Trang 97 Science & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015 1g7/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1g7/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 1f7/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 Hình Mức kích thích thứ bảy 1s1/2 Hình 10 Mức kích thích thứ tám 1g7/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1g7/2 2p1/2 2p3/2 1f5/2 1f7/2 1f7/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1d3/2 2s1/2 1d5/2 1p1/2 1p3/2 1p1/2 1p3/2 1s1/2 1s1/2 Hình 11 Mức kích thích thứ chín Hình 12 Mức kích thích thứ mười So sánh kết thực nghiệm Kết tính tốn spin độ chẵn lẻ mức kích thích 59Fe so sánh với thực nghiệm đo đạc [5] Hình 13 mức kích thích Trang 98 59Fe đo từ phân rã beta hạt nhân 59 Mn TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T1 - 2015 Hình 13 Các mức kích thích 59Fe đo từ phát beta đồng vị 59Mn [8] Có thể ứng dụng cách tính tốn cho hạt nhân khác với số khối A lẻ trung 33 bình Lấy thí dụ với hạt nhân 14 Si19 cho việc ứng dụng mẫu lớp vùng số khối hạt nhân nêu 33 Ở mức bản, 14 Si19 có cấu trúc nucleon theo mẫu lớp theo quy tắc Bảng 1, Bảng Hình là: Proton: 1s1/21p3/21p1/21d5/2 Neutron: 1s1/21p3/21p1/21d5/2 2s1/21d3/2 Như theo cách giải thích mẫu lớp spin 33 trạng thái 14 Si19 định nucleon không liên kết cặp, tức nucleon lớp 1d3/2, độ chẵn lẻ xác định (1)l (1)2 1 , tức spin độ chẵn 33 lẻ mức 14 Si19 3/2+ Khi bị kích thích, nucleon mức bị đẩy lên mức lượng cao Các mức cao có theo mẫu vỏ (Hình 1) mức 1f7/2, 1f5/2 2p3/2, 2p1/2, 1g9/2, … Do đó, spin độ chẵn lẻ mức trung gian 7/2-, 3/2+, 1/2+, 9/2-, … Kết phù hợp với thực nghiệm [9] xác định spin độ chẵn lẻ nghiên cứu khác Trang 99 Science & Technology Development, Vol 18, No.T1- 2015 Như vậy, nghiên cứu này, kết tính tốn mẫu lớp cho thấy phù hợp với kết thực nghiệm đo 59Fe 33Si Ở 59 Fe, 10 mức tính tốn lý thuyết theo mẫu đơn hạt, mức đơn phù hợp hồn tồn tính tốn spin độ chẵn lẻ mức trung gian Ở mức kép, thực nghiệm đo đạc trùng hợp với lý thuyết mức kích thích thứ tám Tuy nhiên mức thứ nhất, thứ hai, thứ chín thứ mười thực nghiệm xác định mức đơn Điều hồn tồn có thể, chưa có mẫu lý thuyết phù hợp hồn tồn, thay thực nghiệm việc tính tốn tồn qua lý thuyết nghiên cứu cấu trúc hạt nhân KẾT LUẬN Bằng việc ứng dụng mẫu lớp xác định spin độ chẵn lẻ 10 mức kích thích trạng thái 59Fe Kết cho thấy việc tính toán theo mẫu đơn hạt phù hợp với kết thực nghiệm cho toán xác định spin độ chẵn lẻ trạng thái hạt nhân hạt nhân có A lẻ khối lượng trung bình Như vậy, kết nghiên cứu giúp xác định spin độ chẵn lẻ mức hạt nhân trung bình lý thuyết xác, điều khắc phục hạn chế thiết bị nghiên cứu đặc trưng lượng tử mức trung gian hạt nhân điều kiện thực nghiên cứu hạt nhân Việt Nam hạn chế Application of single particle model to determine the spin and parity of levels of 59Fe nucleus Nguyen An Son Dang Lanh Dalat University ABSTRACT The spin and parity of the excited state and the ground state of nuclei are two of important properties of the nuclei quantum However, up to now we not have appropriate equipments to directly detetmine the spin and parity of nuclei This paper shows the application of nuclear shell model to study the spin and parity of 59 intermediate levels and ground state of Fe nucleus Comparing to previously experimental data, this nucleus singleparticle model is suitable of the average mass and odd A nuclei Keywords: Spin nuclei, Parity nuclei, excited nuclear level, nuclear shell model, nuclear single particle model TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V.H Tấn cộng sự, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ, Nghiên cứu cường độ chuyển dời gamma nối tầng sơ đồ mức kích thích vùng lượng trung gian hạt nhân 153Sm, 182Ta, 59Ni Trang 100 239 U phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng, Viện NCHN, Đà Lạt (2006) [2] V.H.Tấn cộng sự, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp - Nghiên cứu phát triển hệ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T1 - 2015 thống phổ kế hạt nhân đo chùm nơtron phục vụ nghiên cứu chuyển dời gamma nối tầng, đo đạc số liệu hạt nhân ứng dụng liên quan, Viện NCHN, Đà Lạt (2010) [3] http://www.lnl.infn.it/~annrep/read_ar/2007/ contributions/pdfs/013_A_125_A120.pdf [4] V Subrahmanyam, Spins and γ59 multipolarities in the decay of Fe, Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 3319– 3322, 34, 11 (1972) [5] C.M Baglin, Nuclear Data Sheets for A = 59, Science Direct, 95, 2, 215-541 (2002) [6] N.Q Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, (2006) [7] J.M Blatt, V.F Weisskopf, Theoretical Nuclear Physics, John Wiley and Sons, Newyork (1972) [8] http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/getdecaysc heme.jsp?nucleus=59FE&dsid=59mn%20b M%20decay&unc=nds [9] http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/getbandplot jsp?unc=nds Trang 101 ... nucleon hạt nhân theo mẫu lớp Spin hạt nhân xác định theo nguyên tắc sau: Nếu hạt nhân có A lẻ spin hạt nhân spin nucleon riêng lẻ khơng liên kết cặp; Các trường hợp khác spin hạt nhân xác định theo... neutron chẵn - lẻ lẻ - chẵn spin hạt nhân xác định theo hiệu spin lớp cuối, J = Jp – Jn; Trang 94 Nếu l lớp cuối proton neutron lẻ - lẻ spin hạt nhân xác định theo tổng spin lớp cuối, J = Jp... chẵn lẻ (1) (1) 1 , spin 2p1/2 2p3/2 1f5/2 hạt nhân mức kích thích I = 1/2- Mặt khác, mức 2p3/2 khơng nucleon, theo quy tắc, spin hạt nhân định spin mức độ chẵn lẻ ngược với độ chẵn