Файл: Каипов Д.К. Ядерный гамма-резонанс и атомные столкновения.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.07.2024
Просмотров: 73
Скачиваний: 0
А К А Д Е М И Я Н А У К К А З А Х С К О Й С С Р
И Н С Т И Т У Т Я Д Е Р Н О Й Ф И З И К И
Д. К. КЛИПОВ, Ю. Г. КОСЯТ£
ЯДЕРНЫЙ ГАММА-РЕЗОНАНС И АТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕНИЯ
И з д а т е л ь с т в о « Н А У К А » К а з а х с к о й С С Р
АЛМА - АТА - 1973
УДК 539.1
Вмонографии дается обзор работ, посвященных иссле дованию влияния агрегатного состояния фазового перехода, кристаллической структуры и других свойств источников у-лучей на выход у-резонансного рассеяния.
Излагается теория резонансного рассеяния для газооб разных и конденсированных у-источников. Выбирается и обосновывается модель учета процесса столкновения ато мов в конденсированных средах. Приводятся данные экспе риментов по у-резонансному рассеянию с жидкими, метал лическими, молекулярными твердыми и газообразными источниками. Обсуждаются закономерности процессов стол кновения медленных атомов отдачи в жидкостях, метал лах, твердых и газообразных соединениях.
Книга предназначается для специалистов, работающих в области ядерной физики, химии «горячих» атомов, радиа ционной физики, а также преподавателей, аспирантов и студентов вузов, желающих ознакомиться с ядерным у-ре- зонансным рассеянием и его приложением.
Илл. 66, табл. 18, библ. 146.
Г О С . П У Б Л И Ч Н А Я Н А У Ч Н О - Т Е Х - И Ч Е . К А
Б И Б Л И О Т Е К А С С С Р
К |
0 2 3 7 - 0 4 6 |
^ _ 7 Q |
|
м 405(07)—73 |
|
Издательство « Н а у к а » Казахской ССР. 1973
В В Е Д Е Н И Е
Известно, что метод ядерного Y-резонансного рассеяния (ЯРР) внес существенный вклад в определение времен жизни как первых, так и высоковозбужденных состояний ядер [1]. Эксперименты с использованием у—-^-совпадений [2] и Р—^-совпадений [3] для источников, распадающихся по схемам р—у—у и р—у, позволили найти варианты тео рии р-распада для отдельных р-переходов. В настоящее время появилась надежда, что метод ЯРР может быть также использован для изучения фазовых переходов ве щества [4], фононных спектров твердого тела [5] и решения некоторых других прикладных задач [6, 7],
В данной работе мы хотим показать перспективность применения метода ядерного ^-резонансного рассеяния для исследования процессов столкновения атомов в жид костях, металлах, твердых соединениях и молекулах газо вой среды; описать соответствующие поставленным це лям эксперименты и привести их результаты.
Определение характера взаимодействия атомов и мо лекул в конденсированных средах является одной из ак туальных задач современной физики. Знание законов взаимодействия атомных систем в твердых, жидких и га зообразных веществах помогает понять такие важные про цессы, как динамика радиационных нарушений в твердых телах, поведение *горячих» атомов в различных средах, а также некоторые особенности физики молекулярных процессов.
За последние семь-восемь лет накоплен достаточный экспериментальный материал, способствующий изуче-
нию законов движения частиц высоких энергий (кэв, Мэв)
втвердых средах [8— 14]. В этой области можно выделить два экспериментальных метода: регистрация ионов, про ходящих сквозь тонкие монокристаллы, и измерение про бега радиоактивных ионов, останавливающихся в кристал ле. Обнаруженное этими методами каналирование частиц
вкристаллах нашло практическое применение. Так, Лутс и др. [14] устанавливали межатомные потенциалы и силы торможения из спектра энергетических потерь каналированных ионов, а Матске и Дэвис [15] методом каналирования изучали локализацию примесей инертного газа в кри сталлах КС1, CaF2 и U 0 2 .
Однако перечисленные методы не применимы для исследования движения в конденсированных средах час тиц с энергией в области десятков и сотен электрон-вольт, поэтому экспериментальные данные для указанного энер гетического диапазона почти отсутствуют. Между тем именно эти области энергий интересны с точки зрения ра диационных нарушений в твердых телах и химии «горя чих» атомов. Для анализа «горячих» процессов в химии необходимо знать не только вероятности протекания раз личных реакций при каждом столкновении в зависимости от энергии атомов отдачи, но и энергетический спектр по следних, изменяющийся вследствие потери энергии при со ударениях. Предлагаемые модели [16— 48], учитывающие в первом приближении изменение энергии и вероятность химических реакций, нуждаются в эксперименталь ной проверке. Для твердых веществ достоверно опреде ляется только окончательная фаза, в которой стабилизи ровались атомы отдачи. Практический же интерес пред ставляет динамика процесса замедления атомов отдачи. Известно, например, что при низких скоростях отдельные реакции не только сильно зависят от кинетической энер гии относительного движения, но и могут иметь резонан сный характер [19]. Особенно необходимо дополнительное •исследование поведения «горячих» атомов, возникающих в результате радиоактивных распадов. Так, очень слож ными оказываются реакции после |3-распада в растворах. Получить количественные данные о первичных процессах, связанных с распадом, в этом случае очень трудно, что от мечалось, в частности, в работе [20].
Подобные проблемы возникают и при изучении радиа ционных нарушений в твердых телах, которые часто
вызываются вторичными электронами или атомами отдачи с энергией порядка 100 эв ( 2 1 , 22]. Исследова ние же законов смещения атомов из узлов решетки имеет не только научное значение, позволяющее лучше понять физические процессы в твердых веществах, но и практиче ское в связи с возможностью создания материалов с за данными свойствами [22].
Известно, что для необратимого смещения атома из уз ла кристаллической решетки необходима энергия Ед>
> 25 эв. Однако не ясно, каким же образом будет рассеи ваться полученная атомом энергия при значениях, близ ких к Е д. Существуют различные теории, в той или иной мере отвечающие на этот вопрос. Среди них можно отме тить теорию фокусировки столкновений [23—25] и концеп цию пика смещений, основанную на принципе многочас тичного взаимодействия [26], а также теорию замещающих столкновений или парное взаимодействие [27]. В их основе лежат различные допущения. Так, Кинчин и Пиз [27], рассматривая число смещений, возникающих при соуда рениях типа «твердых шаров», не учитывают энергию Ед, затрачиваемую на образование смещенного атома; дру гие — Зейтц и Харрисон [28] или Снэйдер и Ньюфельд [29] — учитывают потерю этой энергии. Однако отметим, что результаты обоих приближений мало отличаются друг от друга. Существует еще целый ряд усовершенствован ных приближений [26, 30, 31], нуждающихся в проверке.
Из сказанного следует, что поиски эксперименталь ных методов, позволяющих получить информацию о зако нах взаимодействия атомов для области низких энергий в твердых и жидких средах, а также в газовых молекулах, совершенно необходимы. Именно таким эксперименталь ным методом оказался метод ядерного ^-резонансного рас сеяния.
Г Л А В А 1
ЯДЕРНОЕ ^-РЕЗОНАНСНОЕ РАССЕЯНИЕ
ИВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКА
НА ВЫХОД Я Р Р
Внастоящее время в ядерной физике хорошо изучено явление ядерного ^-резонансного рассеяния — способность ядер поглощать и высвечивать у-кванты с энергиями, со ответствующими энергиям ядерных возбужденных со стояний.
Аналогичный процесс давно известен в оптике [32]. Именно способность атомов избирательно поглощать кван ты с энергией, равной энергии возбуждения одного из атомных состояний, и затем высвечивать кванты тех же частот, привела к предсказанию Куном [33] в 1929 г. резо нансного рассеяния v-квантов на ядрах. Но подобно тому, как испускание света резонирующим газом долгое время не подтверждалось экспериментально (необходимо было иметь низкое давление), резонансное рассеяние -у-квантов
Рис. 1. Потери энергии испущен ным и поглощенным у - к в а н т а м и . Е о — резонансная энергия возбуж
денного уровня.
на ядрах обнаружили лишь через 22 года после его предсказания [34, 35, 36]. Дело в том, что если в опти ке для наблюдения резо нансного рассеяния доста точно освещать атомы квантами, испущенными те ми же атомами, то для осу ществления ядерного у-резо- нанса энергия падающего излучения должна быть не сколько больше энергии воз бужденного уровня. Объяс няется это тем, что частоты
пускаемого и поглощаемого излучения в точности не рав ны частоте E0/h, соответствующей энергии возбуждения 2?о (h — постоянная Планка). Разность между ними (рис. 1) есть результат отдачи, которая с учетом закона сохране ния импульса для свободного атома равна Е02/Мс2, где М — масса атома отдачи, с — скорость света. Таким обра зом, на возбуждение ядра В идет только энергия Ео— —Е02/Мс2. Обозначим потерю энергии на отдачу Е02/Мс2 че рез Д. Если в оптике величина А не превышает 10_ 8 эв, что значительно меньше Г и Ад атома (см. ниже), то для ядра она может достигать сотен электрон-вольт и при малой ширине возбужденного уровня Г вероятность резонансно го возбуждения ядер (перекрытие полос испускания и по глощения) стремится к нулю (рис. 2).
А |
б |
Рис. 2. Вероятность перекрытия полос испускания (А) и поглощения (В).
Действительно, большинство нижних возбужденных состояний ядер имеет энергетическую ширину Г порядка 1 0 - 8 — 1 0 _ 3 эв. Тепловое движение атомов при комнатной температуре увеличивает это значение из-за эффекта Допплера. Допплеровская ширина -у-линии А д определяется температурой источника v-излучения и поглотителя мише ни
где К — постоянная Болыгмана; Ті и Гг — температуры
источника и мишени. Но Ад по сравнению с А для ядер остается по-прежнему малой при больших энергиях пере хода. Например, для перехода 1,43 Мэв в 5 2 Сг значение А равно 42 эв, тогда как ширина линии, обусловленная теп ловым движением Ад , составляет 1,5 эв. Таким образом, в оптике A<CAzf <СЛ в ядерной физике АЗ>Ад ~>Г или со значительной вероятностью для некоторых ядерных пере ходов, когда энергия перехода мала, Л = 0, Дд =0,-Гэ к с п ~-Г'.
В первом случае, как уже было отмечено, для наблю дения резонансного рассеяния достаточно освещать атомы 7-квантами, испущенными теми же атомами, во втором необходимо компенсировать потерю энергии на отдачу, равную А=Е0 2 /Мс2 . Третий случай (эффект Мёссбауэра) связан с квантовым явлением в твердых телах. В настоя щее время этот эффект широко применяется в науке и технике.
Методы компенсации потери энергии на отдачу при резонансном рассеянии 7-лучей на ядрах
Существуют различные способы компенсации потери энергии на отдачу. Одним из них является нагревание ис точника, при котором часть ядер может получить скоро сти, обеспечивающие условия резонанса из-за допплеровского упшрения энергий испускаемых 7-квантов.
Впервые этот метод использовал Малмфорс [37] при ис следовании резонансного рассеяния ^-излучения с энергией 0,411 Мэв на ядре 1 9 8 Hg . Источник нагревался до 1100°С. Величина эффекта составляла 3 % . Несмотря на незначи тельный эффект и ряд экспериментальных трудностей, на
гревание источника для наблюдения ядерного |
7-резонанса |
оправдывает себя, так как из найденного сечения непо |
|
средственно определяется ширина уровня Г. |
|
Методика термического нагревания источника была с |
|
успехом применена в опытах, описанных |
в работах |
[38—40]. |
|
Чтобы придать излучающим ядрам скорости, необхо димые для компенсации потери на отдачу, можно исполь зовать механическое движение источника, за счет которо го ядра получат дополнительные скорости [36—45]. Экспе
риментально этот метод был впервые осуществлен |
Муном |
[36]. Источник 1 9 8 А и располагался на краю ротора. |
При |
скорости 7-Ю4 см/сек выход ЯРР от резонансного рассеивателя — ртути — оказался в 2,5 раза больше выхода от нерезонансного рассеивателя — свинца, взятого для срав нения.
Одной из интересных работ, выполненных с примене нием ультрацентрифуги, является исследование Метцгером резонансного рассеяния 7-квантов на 1,46 Мэв уровне 1 4 8 Sm и 0,96 Мэв уровне l 5 2 S m [44]. При скорости источни ка 1,07-105 см/сек (2800 об/сек) резонансный эффект уве личивался в два раза. В результате были получены сле
дующие значения времен жизни |
возбужденных состоя |
|
ний: т (1,46 Мэв) |
= (1,4 ig-| ) - 10" 1 3 |
сек и г (0,96 Мэв) = |
= (3,9 + 0,4)-Ю-1 4 |
сек. |
|
Наиболее широко используется в настоящее время ме тод восстановления резонанса излучениями, предшествую щими резонансным у-квантам. В этом случае допплеровское уширение энергии ^-квантов происходит за счет ско ростей отдачи, полученных ядрами после (3-, ^-распадов и
.ЙГ-захватов. Такие у-резонансные эксперименты оказались очень плодотворными и дали много интересных научных результатов. Это связано с тем, что выход у-резонансного рассеяния в значительной степени определяется природой предшествующих излучений и взаимодействием атомов от дачи с окружающей средой.
Действительно, первые же эксперименты [35, 46, 47] показали, что эффективность отдачи от предшествующих распадов существенно зависит от агрегатного состоя ния источника, особенно когда время жизни уровня боль ше или равно времени между столкновениями атомов отдачи в среде. Взаимодействие излучающих ядер с окру жающими атомами может свести на нет отдачу от пред шествующих распадов, поэтому для времен жизни иссле дуемых уровней порядка Ю - 1 0 — 5 - Ю - 1 2 сек ядерное у-ре- зонансное рассеяние практически наблюдается только при газообразных источниках. Метод газообразных источни ков применяли Метцгер [48], исследуя 835 кэв возбужден ное состояние 7 2 Ge и 596 кэв 7 4 Ge, и Делягин со Шпинелем [49], определяя время жизни уровня 1,37 Мэв ядра 2 4 M g .
При использовании молекулярных газообразных ис точников на выход ЯРР влияют внутримолекулярные взаимодействия. Например, Грол и Калус [50], применяя газообразный в качестве источника, обнаружили,