Metode merenja nuklearnih magnetnih
dipolnih i elektrinih kvadrupolnih
momenata -master rad-
Mentor : Kandidat :
Prof. dr Miroslav Veskovi Ivan Budinevi
Novi Sad, 2011.
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIKI
FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
2
SADRAJ
1 UVOD ..................................................................................................................................... 4
2 ISOLDE POSTROJENJE U CERN-u .................................................................................... 5
2.1 PS-Booster i ISOLDE separatori...................................................................................... 7
2.2 Mete i jonski izvori .......................................................................................................... 8
2.2.1 Povrinski jonski izvori............................................................................................. 9
2.2.2 Plazma jonski izvori .................................................................................................. 9
2.2.3 Laserski jonski izvori (RILIS) ................................................................................ 10
2.3 Glavne eksperimentalne instalacije u ISOLDE postrojenju ........................................... 11
3 OSNOVNE KARAKTERISTIKE NUKLEARNOG MODELA LJUSKE I NUKLEARNIH
MOMENATA ............................................................................................................................... 15
3.1 Nuklearni model ljuske .................................................................................................. 15
3.1.1 Empirijski model ljuski ........................................................................................... 18
3.2 Nuklearni momenti ......................................................................................................... 19
3.2.1 Nukearni magnetni dipolni moment ....................................................................... 19
3.2.2 Nuklearni elektrini kvadrupolni moment .............................................................. 22
4 OSNOVNI PRINCIPI MERENJA STATINIH NUKLEARNIH MOMENATA ............. 25
4.1 Hiperfina struktura atoma............................................................................................... 25
4.1.1 Optiki izotopski pomak ......................................................................................... 25
4.1.2 Hiperfina struktura .................................................................................................. 26
4.2 Spoljno dovedena elektromagnetna polja ...................................................................... 27
4.2.1 Magnetna dipolna interakcija .................................................................................. 27
4.2.2 Elektrina kvadrupolna interakcija ......................................................................... 28
4.2.3 Kombinovane statine interakcije ........................................................................... 30
4.3 Spinska orijentacija radioaktivnih snopova i egzotinih jezgara ................................... 31
4.3.1 Poravnanje (alignment) A nuklearnih spinova. ....................................................... 32
4.3.2 Polarizacija P nuklearnih spinova ........................................................................... 33
5 METODI PROIZVODNJE EGZOTINIH RADIOAKTIVNIH JEZGARA I METODI ORIJENTISANJA PROIZVEDENIH JEZGARA ....................................................................... 34
5.1 Metodi proizvodnje egzotinih radioaktivnih jezgara .................................................... 34
5.1.1 In-beam metodi proizvodnje za istraivanja nuklearnih momenata ....................... 34
5.1.2 ISOL tehnike proizvodnje radioaktivnih snopova .................................................. 35
5.1.3 IF metode proizvodnje snopova radioaktivnih jezgara ........................................... 36
3
5.2 Metodi orijentisanja proizvedenih jezgara i primena na radioaktivne nuklearne snopove . ........................................................................................................................................38
6 METODE MERENJA MOMENATA RADIOAKTIVNIH JEZGARA .............................. 41
6.1 Osnovni principi kolinearne laserske spektroskopije ..................................................... 41
6.1.1 Detekcija fluorescencije .......................................................................................... 43
6.1.2 Ne-optika detekcija ............................................................................................... 44
6.1.3 Rezonantna jonizaciona spektroskopija i jonski laserski izvor............................... 44
6.2 Metode merenja momenata osnovnih stanja egzotinih jezgara dobijenih iz reakcija projektilske fragmentacije ......................................................................................................... 46
6.2.1 Ugaona raspodela zraenja iz orijentisanih jezgara ................................................ 46
6.2.2 NMR merenja spinski polarizovanih fragmentnih snopova ............................. 46
6.2.3 Merenja nuklearne kvadrupolne rezonance spinski polarizovanih fragmentnih snopova 48
6.2.4 LMR metoda ..................................................................................................... 49
6.3 Vremenski diferencijalna perturbirana angularna distribucija (TDPAD) raspadajuih izomera ...................................................................................................................................... 50
6.3.1 TDPAD sa magnetnom interakcijom ...................................................................... 50
6.3.2 TDPAD sa kvadrupolnom interakcijom ................................................................. 51
7 PREGLED RELEVANTNIH RADOVA KOJI DEMONSTRIRAJU PRIMENU METODA MERENJA NUKLEARNIH MOMENATA ................................................................................ 52
7.1 Eksperimentalno odreivanje I = 2 osnovnog stanja za 72,74Cu [41] ............................. 52
7.2 Nuklearni spinovi i magnetni momenti 71,73,75
Cu: Inverzija / i / nivoa u 75
Cu [42]............................................................................................................................ 55
7.3 Nuklearni spinovi, magnetni momenti i kvadrupolni momenti Cu izotopa od N = 28 do N = 46; ispitivanje efekata polarizacije jezgra [44] .......................................................... 59
7.4 Nuklearni spinovi i momenti Ga izotopa otkrivaju nagle strukturne promene izmeu
N = 40 i N = 50 [45] .......................................................................................................... 66
7.5 Merenja spina i magnetnog momenta 31
Mg: dokazi za jako deformisano ,,uljezno"
osnovno stanje [47] ........................................................................................................... 70
7.6 Spinovi osnovnih nuklearih stanja i magnetni momenti 27Mg, 29Mg i 31Mg [50] ............ 74
8 ZAKLjUAK ....................................................................................................................... 82
4
1 UVOD
Odreivanjem osnovnih karakterika atomskih jezgara kao to su njihova masa, vreme
ivota (za nestabilna jezgra), eme raspada i energetskih nivoa, spinovi i nuklearni momenti,
mogue je dobiti direktne ili indirektne informacije o strukturi jezgara i o samoj jakoj nuklearnoj
sili kojom interaguju protoni i neutroni. Poreenje eksperimentalno dobijenih osobina egzotinih
jezgara sa proraunima vrenim za vie razliitih nuklearnih modela omoguava testiranje moi
predvianja ovih modela prilikom pribliavanja ekstremima, ili moe da ukae na razne
mogunosti poboljavanja nuklearnih modela i njihovih parametara.
Statini nuklearni momenti su kljuni elementi za dobijanje jasnijeg shvatanja
jednoestine strukture ili kolektivne prirode nuklearnih stanja. Nuklearni magnetni moment je
osetljiv na jednoestinu prirodu valentnih nukleona, dok je nuklearni kvadrupolni moment
osetljiv na deformacije. Eksperimenti su uglavnom vreni nad jezgrima bliskim oblasti
stabilnosti i nad jezgrima sa manjkom neutrona, zato to su ta jezgra uglavnom proizvoena u
reakcijama fuzionog isparavanja ili spalacije. Posle 1990ih, dolo je do daljeg napretka ovih
tehnika zbog poveane mogunosti proizvoenja egzotinih jezgara. Na osnovu ovih merenja,
fascinantna otkria su dobijena za jezgra daleko od linije stabilnosti, kao to je ,,halo struktura
kod jezgara sa asimetrinim odnosima protona i neutrona ili kao to je nastanak i iezavanje
maginih brojeva odreenih jezgara.
U prvom delu ovog rada, bie dat kratak opis postrojenja ISOLDE u CERN-u, koje
predstavlja jedno od najvanijih postrojenja u svetu u kome se vre merenja nuklearnih
momenata. Zatim e biti predstavljene osnovne karakteristike modela ljuski i bie definisani
nuklearni magnetni i kvadrupolni momenti. U treem delu rada, bie predstavljeni osnovni
principi merenja nuklearnih momenata: hiperfina struktura, interakcija atomskih polja sa
spoljanjim elektromagnetnim poljima i spinska orijentacija radioaktioaktivnih snopova i
egzotinih jezgara. U etvrtom delu e biti predstav
