原子核高自旋态

原子核高自旋态第1页，共37页，2023年，2月20日，星期五高自旋态研究介绍

原子核具有的角动量称为原子核的自旋,属于原子核重要的量子力学性质.实验上是从原子光谱存在超精细结构发现的。原子核是由核子组成的,每个核子有自旋,同时在核内作复杂的相对运动,具有相应的轨道角动量,这些角动量和原子核的集体转动角动量耦合,构成了原子核的自旋。一般将原子核自旋量子数大于10的核态称为高自旋态。第2页，共37页，2023年，2月20日，星期五

从六十年代后期开始，由于重离子加速器的建立，探测器技术、电子学技术和计算机技术的发展，在衰变谱学(由原子核的自然衰变而得到能谱)的基础上逐渐形成了一个新的研究领域—现代核谱学,大大扩大传统核谱学研究的疆界。现代核谱学一方面可以通过某些核反应使人们观测到原子核的多种激发模式和多种退激模式，另一方面，也可以通过某些反应将反应产物中的生成核布居到更高的激发态和更高的自旋态。七十年代，人们由晕谱的转动惯量出现回弯而发现的普遍的“回弯现象”导致了高自旋态核物理学的出现和发展。第3页，共37页，2023年，2月20日，星期五核谱学研究的三个主流方向1.激发能自由度(高激发能)2.同位旋自由度(高同位旋)3自旋自由度(高自旋)第4页，共37页，2023年，2月20日，星期五高自旋态的布居1.重粒子多重库仑激发2.重粒子诱发裂变3.重粒子融合蒸发反应第5页，共37页，2023年，2月20日，星期五高自旋及回弯现象重核裂变：应用重核的自发裂变，产生丰中子核的高自旋态。重核裂变同时能够产生大量裂变碎片，一次实验可以研究很多核的高自旋态，但是这些核也会在数据分析时互相干扰。重离子库仑激发：通过长程电磁相互作用产生非弹性散射，使靶核处于高自旋态。库仑激发容易激发起集体运动，但是激发能不太高。适用于稳定线附近的核，需要稳定的靶。第6页，共37页，2023年，2月20日，星期五熔合蒸发反应：

用加速到一定能量的重离子束流，打在靶核上,与靶核熔合产生复合核。复合核通过蒸发粒子（中子、质子或α粒子）可以退激掉大部分的能量，但发射的粒子不能带走很多角动量，于是形成具有高自旋的剩余核，它通过级联跃迁退激到基态。即所谓的重离子反应(HI,(xn,xp))。熔合蒸发反应适用于缺中子核。熔合蒸发反应是比较好的一种研究高自旋态的方法，最高可以获得约60ℏ的角动量。高自旋及回弯现象第7页，共37页，2023年，2月20日，星期五7Li轰击114,116Cd，束流能量分别为48和30MeV。120核区高自旋态实验研究第8页，共37页，2023年，2月20日，星期五高自旋及回弯现象

1971年A.Johnson等人通过反应研究了核的高自旋态。他们在分析转动惯量与转动角频率ω的变化关系时，发现晕谱在I=14+附近转动惯量突然增加，出现回弯现象(backbending)，这里我们给出另一清晰的回弯现象的图，如图4.8.1

所示。所谓晕态是指同角动量下，能量最低的态，这些态构成的线称为晕线(yrastline),如图4.8.2所示。第9页，共37页，2023年，2月20日，星期五第10页，共37页，2023年，2月20日，星期五5.高自旋态中的回弯现象第11页，共37页，2023年，2月20日，星期五5.高自旋态中的回弯现象第12页，共37页，2023年，2月20日，星期五(2)回弯机制早期,B.MottelsonandJ.Valatin提出,对崩溃(PairingCollapse),>c时,对关联受扰动,超导态正带态,rig,转动惯量急剧增加.

72年F.StephensandR.Simon提出,回弯处实际是内部颇不同的两个转动带的交义(bandcrossing),一个是基带,内部核子配对,小,J,EJ;另一个是激发带-S带(Superband)内部是高j低闯入轨道上一对核子拆散,受很强的Coriolis力作用,角动量沿集体转动轴方向(R)顺排,急剧增大,出现图示的回弯.第13页，共37页，2023年，2月20日，星期五第14页，共37页，2023年，2月20日，星期五图4.8.1、回弯现象图4.8.2、晕线高自旋及回弯现象第15页，共37页，2023年，2月20日，星期五第16页，共37页，2023年，2月20日，星期五(2)回弯机制早期,B.MottelsonandJ.Valatin提出,对崩溃(PairingCollapse),>c时,对关联受扰动,超导态正带态,rig,转动惯量急剧增加.

72年F.StephensandR.Simon提出,回弯处实际是内部颇不同的两个转动带的交义(bandcrossing),一个是基带,内部核子配对,小,J,EJ;另一个是激发带-S带(Superband)内部是高j低闯入轨道上一对核子拆散,受很强的Coriolis力作用,角动量沿集体转动轴方向(R)顺排,急剧增大,出现图示的回弯.第17页，共37页，2023年，2月20日，星期五第18页，共37页，2023年，2月20日，星期五丰富的核结构现象手征双重带磁转动与反磁转动超形变八级关联旋称反转带交叉延迟带终结形状共存质子中子顺排竞争第19页，共37页，2023年，2月20日，星期五一．质子和中子转动排列竞争(AlignmentCompetition)

当原子核高速转动时,处于高J低Ω轨道上的一对角动量耦合为0的核子,由于受到的科里奥利力方向相反而被拆对,并使它们的角动量沿转动轴方向排列,使原子核的转动惯量突然增加,在能谱结构上即可呈现出著名的回弯现象(Backbending)。1983年,近代物理研究所的孙相富研究员在研究130Ba的实验中,在基态转动带10＋态之上观测到一个三分叉现象,其中的两个正宇称带,都有回弯现象出现。通过与推转壳模型计算比较,提出了它们分别为一对h11/2质子和一对h11/2中子转排的结果。同时预言在128Ba等邻近核中也应存在类似现象,并很快用实验在128Ba中证实了这一结论。这些实验结果吸引了实验研究者的广泛兴趣,现已在124,126Ba,124,126Xe等多个偶偶核和131La，127Ba等多个奇A核中也都观测到了这种h11/2质子和h11/2中子转动排列竞争现象。在作者最近研究的奇质子核123I中也观测到了这种转动顺排竞争的迹象。理论家也作了大量研究。到目前为止的基本结论是:由于价质子处于h11/2支壳下部,一对质子的拆对顺排把原子核驱向长椭球形状,而价中子处于h11/2支壳中上部,一对中子的拆对顺排把原子核驱向扁椭球形状,这些核的三轴形变位能面又很平缓,更促使出现这种转动排列的竞争。第20页，共37页，2023年，2月20日，星期五二．形状共存(ShapeCoexistence)在130过渡区核中观测到的核形状共存现象之多样为其它核区少见。一种是如前所述,由于h11/2质子转动排列,把原子核驱向=0°的长椭球形状,而h11/2中子转动排列又把原子核驱向=-60°的扁椭球形状。第二种虽然也是=00与=-600的形状共存,但其产生原因却不同。它们分别是基于核的质子h11/2支壳的K=1/2和K=11/2轨道上的。位能面(PES)的理论计算表明,在奇质子I核中[550]1/2与[505]11/2两个h11/2轨道有可相比的极小,前者为长椭球形状,而后者相应于扁椭球形状。在119I和117I中除观测到ΔI=2的K=1/2带之外,都已观察到了K=11/2的带。这个带的显著特点是有很强的ΔI=1跃迁,并且ΔI=1跃迁的混合比率为负，同时没有Signature劈裂。但是，最近不同的实验室对117I，119I的高自旋态研究中得到了不同的结论。要澄清其分歧还需要作大量的实验和理论工作。第三种形状共存是=0°的长椭球与=60°的非集体运动的扁椭球形状,其产生的原因是就是下面要论述的带终结现象。第21页，共37页，2023年，2月20日，星期五三．带终结(BandTermination)随着有多个价核子的变形核的转动频率和自旋的增加,科里奥利力将把价核子拆对并使它们的自旋沿转动轴排列,当这种被排列的粒子足够多时,它们的运动轨道(或密度分布)使核的形状成为绕转动轴的扁椭球,使核从有集体转动的长椭球过渡到了无集体运动的扁椭球,即＝600。当这些被排列的价核子自旋态在能量上低于yrast转动带的态时,集体转动带就被终结了,代之的是单粒子结构,能级间跃迁强度也不再是集体E2跃迁,而是单粒子跃迁强度。在130区带终结现象也得到了普遍的实验观测，主要集中在Xe和I的同位素系列。当前带终结研究的主要问题是对关联效应与终结态的相互作用，以及壳崩溃之后的量子多体费米系统的运动方式还不是很清楚。第22页，共37页，2023年，2月20日，星期五四．带交叉延迟(CrossingDelay)在奇质子核I和Cs中发现,一对h11/2中子拆对顺排与基于h11/2质子入侵轨道[550]1/2上的yrast带发生带交叉的频率比与基于g9/2和d5/2轨道上的带的要高。例如在117I中[15],与[550]1/2h11/2质子带交叉发生在ħ0.5MeV,而与g9/2[404]9/2+和d5/2[420]1/2+带的交叉发生在ħ0.39MeV。推转壳模型计算预言的一对h11/2中子转排应发生在ħ0.35MeV,与和g9/2和d5/2带交叉的频率相近。这种带交叉频率在入侵带中的延迟现象在170质量区也有发现[19],那里的质子入侵轨道是[541]1/2-和[660]1/2+。第23页，共37页，2023年，2月20日，星期五五．旋称反转现象(SignatureInversion)建立在高J低Ω唯一宇称(Uniqueparity)轨道上的转动带,因Signature劈裂而分成两组ΔI=2的级联跃迁,两组级联之间可有ΔI=1的连接跃迁.能量低的一组称favored带,高的一组称unfavored带。实验发现,在奇A核高自旋态发生带交叉之后,有不同Signature的带发生了能量的反转。对A～160和A～130区的双奇核研究发现,与奇A核相反,在双奇核中低自旋区是Signature反转的。第24页，共37页，2023年，2月20日，星期五五．旋称反转现象(SignatureInversion)用不同的理论模型计算对Signature反转现象进行了解释。例如,推转壳模型计算认为三轴形变是主要原因；粒子-转子模型认为不需要引入三轴形变,但费米面位置对产生Signature反转很关键；还用了包括p-n相互作用的推转壳模型；包括p-n相互作用的粒子-转子模型；HARA使用投影壳模型也对此进行了研究。目前的问题是实验的数据尚显不足,而且对带头能级自旋指定的可靠性较差,自旋值相差1就意味着交换对favored和unfavored带的指定。刘运祚教授等对这一问题作了系统研究,指出的确有很大一部分带的自旋指定可能有问题，并给出了修改建议，一些修改建议已经得到了实验确认。因此更多的实验数据及更可靠的带头自旋指定对搞清Signature反转的本质是很重要的。

第25页，共37页，2023年，2月20日，星期五138Eu(1)138Pm(1)136Pm(1)134Pm(0)136Pr(1)134Pr(1)132Pr(1)130Pr(1)134La(1)132La(1)130La(3)128La(0)126La(3)132Cs(0)130Cs(0)128Cs(1)126Cs(4)124Cs(2)122Cs(3)120Cs(0)118Cs(2)第26页，共37页，2023年，2月20日，星期五实验检验：124Cs:A.Gizonetal.,NuclPhysA694(2001)63Luetal.,PhysRevC62(2000)057304132La:VinodKumaretal.,Eur.Phys.J.A17,(2005)153130,132Pr:C.M.Petracheetal.,NuclPhysA635(1998)361134Pr:S.P.Robertsetal.,Phys.Rev.C67,057301(2002)D.BFossanetal.,ProceedingsofFrontiersofCollectiveMotion2002,Aizu,Japan,November2002修改被采用：122Cs:Yong-NamUetal.,J.Phys.G:Nucl.Part.Phys.31(2005)B1128Cs:T.Koikeetal.,Phys.Rev.C67,044319(2003)134La:R.A.Barketal.,NuclPhysA691(2001)577136Pm:D.J.Hartleyetal.,Phys.Rev.C64,031304®(2001)138Eu:A.A.Hechtetal.,Phys.Rev.C63,051302®(2001)L.L.Riedingeretal.,ActaPhysicaPolonicaB.Vol.32(2001)2613第27页，共37页，2023年，2月20日，星期五第28页，共37页，2023年，2月20日，星期五第29页，共37页，2023年，2月20日，星期五六．八级关联根据壳模型理论,当一个核在费米面附近具有主量子数相差1,而轨道角动量和总角动量均相差3的两个轨道时,有可能出现八极形变或八级关联。而这应该出现在中子数N和质子数Z在34、56、88和134附近。在轻锕区(Z=88,N=134)和重钡区(Z=56,N=88)核的实验中,都已观测到了核的八极形变,证明了理论预言的正确性。而对于Z和N均为56附近的偶-偶核,理论计算表明,这些核中只有在N=Z=56(112Ba)附近少数几个核的形变能存在很浅的八极形变极小,而且随着N和Z偏离56而迅速消失.在这个核区,N=56的核已位于质子滴线,因此在实验上是很难研究的。近年来在偶-偶核110Te(N=58)和114Xe(N=60)及奇A核117Xe、118,120Xe和121Xe中都观测到了增强的E1跃迁,它是原子核存在八级关联的实验证据,它表明原子核有了较大的电偶极矩。第30页，共37页，2023年，2月20日，星期五七．超形变带自从1985年，P．Twin等人发现152Dy超形变带在核物理界引起了轰动。二十余年来，高速转动核的超形变研究一直是原子核高自旋态研究中的一个十分活跃的前沿领域。超形变的观测从最初的稀土区扩展到了现如今的40，80，130和190等多个核区。最初观测到的超形变都是长短轴之比近似为2：1的长椭形变，1995年H.Schnack-Petersen等首次报道了三轴超形变的实验观测，原子能研究院的杨春祥教授利用国内的实验条件观测到了世界上第三例三轴超形变。由超形变还派生出了一些出乎人们预料的新现象，如超形变全同带，超形变的C4对称等。为什么会出现这样的现象呢？一时间众说纷纭还没有一个明确的结论，有待于更深入的研究。第31页，共37页，2023年，2月20日，星期五八．磁转动与反磁转动在十几年前，人们在Pb同位素链核中观测到了一系列带内磁偶极跃迁较强的规则转动带。这些转动带有一个共同的特点，那就是M1跃迁是十分强的，而E2跨接跃迁是很弱的，甚至观测不到，这样实验提取的带内的约化跃迁B(M1)/B(E2)自然是很大的。理论计算表明很大的B(M1)/B(E2)值对应的原子核应该是有很小的形变，即是近球形核。但是，在当时对于一个近球形核出现类似于形变核的规则转动带结构是不被人们所接受的。时至今日这样的M1带已经得到了满意的解释，它对应于一个新的原子核激发模式－磁转动带。迄今为止磁转动带已在好几个核区得到了普遍的观测，主要集中在奇A核和偶偶核中，奇奇核中很少观测到这样的磁转动带。在本文重点研究的130核区，好几个原子核也观测到这样的磁转动带。但是与其他核区不尽相同的是，在130核区这样的转动带一般都有相对较大的四极形变值(～0.2)，这就不得不使人们产生怀疑，这样的转动带是应该理解为磁转动带还是通常的高K转动带呢？显然总结B(M1)随自旋的变化关系可以回答这样的问题，这需要借助寿命测量和在更多的原子核中观测到磁转动带。第32页，共37页，2023年，2月20日，星期五八．磁转动与反磁转动反磁转动与磁转动相类似同样是发生在近球形原子核中，处在高J轨道的两个空穴性的价质子角动量方向相反，而且都与粒子性的价中子角动量方向垂直，随着转动频率的加快，两个质子的角动量方向是向中子角动量方向靠拢的，这就好像两把剪刀在合拢，两把剪刀的磁矩方向是相反排列的，因此磁矩会减小甚至消失，故称为反磁转动。目前为止，只在100区的106Cd[47]和100Pd[48]等少数几个核中观测到了这种反磁转动带。由于反磁转动与磁转动产生条件几乎是相同的，因此在130核区的原子核中观测到反磁转动带也是值得期待的。第33页，共37页，2023年，2月20日，星期五九．手征双重带早在20世纪60年代，理论物理学家就预言了原子核可以有稳定的三轴形变，即非轴对称形变。但是在实验找到直接的证据是很困难的。虽然旋称和约化跃迁随自旋的一些变化关系可能与原子核的三轴形变有关，但这些效应在轴对称的情况也均能得到再现，显然不能作为确切的证据。现如今实验物理学家已经找到了两个确