Пресс-центр

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ обсудили новейшие результаты физики атомного ядра

Во вторник, 12 марта, на семинаре Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ сотрудники Института обсудили открытие американскими физиками неожиданно большой вероятности (сечения) захвата тепловых нейтронов ядрами ⁸⁸Zr. О работе американских коллег рассказал заведующий Лабораторией ядерной спектроскопии Отделения нейтронной физики, доктор физико-математических наук Иван Андреевич Митропольский.

Когда физики говорят о вероятности того или иного процесса (рассеяния, поглощения), они выражают это число в единицах площади. Такая нормировка позволяет легко подсчитывать число элементарных событий при прохождении заданного потока излучения (например, потока нейтронов) через образец с известным составом и плотностью. Фактически каждому атому можно приписать некоторую воображаемую площадку, при прохождении которой частицей-пробником произойдет интересующее взаимодействие. Когда речь идет о ядерных сечениях захвата нейтронов, то имеет смысл оперировать единицами, сопоставимыми с размерами ядер, то есть с величинами порядка 10^–24 см². Широко распространена внесистемная единица измерения площади – барн (1 б = 10^–24 см²). Так как эффекты взаимодействия нейтронов с ядрами носят принципиально квантовый характер, для некоторых ядер сечение поглощения может достигать 10⁵ и даже 10⁶ б (размер эффективной площадки превосходит размеры ядер на несколько порядков). Одной из частиц-пробников являются тепловые (находящиеся в термодинамическом равновесии со средой) нейтроны с энергией порядка 0.025 эВ. Рекордсменом среди известных захватчиков тепловых нейтронов является ксенон ¹³⁵Xe, для которого сечение поглощения составляет 2,6∙10⁶ б; вторым до недавнего времени считался изотоп гадолиния ¹⁵⁷Gd, для которого эта величина составляет 2,5∙10⁵ б, но в новой работе, которую обсуждали на семинаре, был выявлен новый вице-чемпион – цирконий-88.

⁸⁸Zr – радиоактивный нуклид с периодом полураспада примерно 83 дня, поэтому получить его можно только искусственным путем: например, бомбардируя протонами ядра иттрия-89 (⁸⁹Y). Часть налетающих протонов взаимодействует с ядрами, вызывая рождение ⁸⁸Zr и двух нейтронов – ⁸⁹Y(p,2n)⁸⁸Zr. Посчитать примерное количество ядер ⁸⁸Zr, появившихся в облученном образце, можно регистрируя фотоны, образующиеся в каскаде распадов ⁸⁸Zr → ⁸⁸Y → ⁸⁸Sr. Эти фотоны имеют вполне определенные значения энергии и однозначно идентифицируют процесс (зависимость их числа от времени подчиняется закону радиоактивного распада). Образцы, содержащие ⁸⁸Zr, помещали в поток тепловых нейтронов атомного реактора. Оказалось, что при достаточно долгом облучении, все ядра превращались в ядра циркония-89, т.е. протекала реакция захвата ⁸⁸Zr(n,γ)⁸⁹Zr. Количество таких превращений оценивалось двумя способами. Оба основаны на исследованиях гамма-спектра облученного образца (см. Рис. 1):

1. Насколько уменьшилось число ⁸⁸Zr.
2. Насколько увеличилось число ⁸⁹Zr (этот изотоп проявляет себя гамма-линиями с другой энергией).

Оба способа дали сечение порядка 8,5∙10⁵ б. Таким образом, этот радиоактивный изотоп занял второе место, превзойдя ¹⁵⁷Gd (см. Рис. 2). Чтобы представить себе соотношение размеров ядра ⁸⁸Zr и сечения поглощения тепловых нейтронов, можно сравнить соотношение площади сечения Земли и площадь сечения звезды, линейные размеры которой в 10 раз превышают линейные размеры Солнца.

В ходе обсуждения результатов этого эксперимента физики пришли к заключению, что точной количественной теории, описывающий феномен гигантских сечений захвата тепловых нейтронов некоторыми нуклидами не существует. Так для ⁸⁸Zr модельные расчеты предсказывали сечение захвата около 10 барн, что почти на пять порядков меньше экспериментально установленной величины! Для того чтобы разработать подобную теорию, нужно накопить некоторый объем экспериментальных данных и понять, какие особенности энергетического спектра ядра приводят к данному эффекту. Фактически – это огромной класс исследований, и, как следует отметить, проведение полного (законченного) цикла измерений подобного рода скоро станет возможным в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Радиоактивные изотопы можно производить, используя циклотрон Ц-80, причем его характеристики вполне достаточны для наработки радиоактивных изотопов в широком диапазоне масс. Процессы взаимодействия нейтронов различного диапазона энергий (от тепловых, до быстрых) можно будет изучать на экспериментальных нейтронных каналах высокопоточного реактора ПИК, который в данный момент вводится в эксплуатацию.