Chuyên đề Một số vấn đề về mật độ mức hạt nhân

ân có thể xác định bằng cách đo các sản phẩm phân rã (p,a ß-, ß+) cùng với bức xạ điện từ hoặc chỉ bức xạ điện từ (các tia gamma) của các trạng thái kích thích. Trong hầu hết các hạt nhân, phát gamma là kiểu phân rã phổ biến, thời gian sống của các trạng thái này thường vào cỡ 10-9s. Bức xạ gamma là sóng điện từ do đó sự phát bức xạ gamma sẽ làm thay đổi phân bố điện tích dẫn đến thay đổi moment điện và sự thay đổi dòng điện làm thay đổi moment từ. Khi một tia gamma phát ra sẽ làm thay đổi các đặc trưng như năng lượng kích thích, moment góc (angular momentum) Lħ. Khi L=1 ta có bức xạ lưỡng cực E1, M1, L=2 ta có bức xạ tứ cực E2, M2. Độ chẵn lẻ được xác định là (-1)L với bức xạ điện và (-1)L+1 với bức xạ từ. Bậc đa cực tuân theo quy tắc chọn lựa sau: |Ji-Jf|≤L≤|Ji+Jf| (1) Các dịch chuyển 0→0 là dịch chuyển cấm, trong thực tế chỉ có các dịch chuyển có bậc đa cực thấp nhất là có khả năng xảy ra. Dưới đây là một số minh hoạ cụ thể về các đặc trưng của bức xạ gamma trong quá trình phân rã của hạt nhân kích thích: 4 Hình 1. Minh hoạ cụ thể về các đặc trưng của bức xạ gamma trong quá trình phân rã của hạt nhân ở trạng thái kích thích. Để tạo ra hạt nhân ở trạng thái kích thích ta có thể sử dụng các phản ứng bắt bức xạ (p,γ) hoặc (n,γ). Các nơtron có thể là nơtron nhiệt, nơtron cộng hưởng hoặc ở một năng lượng xác định nào đó. - Các dịch chuyển gamma sơ cấp và thứ cấp xuất hiện gần như đồng thời nếu như không có sự khác nhau về cường độ. - Jπ của trạng thái bắt nơtron nhiệt là Jπ(hạt nhân bia) ± ½+ (bắt các nơtron sóng s). - Trường hợp bắt nơtron nhiệt, tia gamma sơ cấp phát ra thường có độ đa cực là E1, M1, E2 hoặc M1+E2. Để đo các tia gamma phát ra ta có thể sử dụng các detectơ bán dẫn siêu tinh khiết có độ phân giải cao ghép nối với các khối điện tử chức năng để tạo thành các hệ phổ kế gamma một hoặc nhiều đetectơ hoạt động theo các nguyên tắc như phân tích biên độ nhiều kênh, đối trùng giảm phông, phổ kế compton, trùng phùng gamma-gamma,… 5 Một trong những nhược điểm của các phương pháp đo giảm phông này là không có khả năng xác định trực tiếp thứ bậc của các dịch chuyển và tính không đơn trị khi sử dụng quy tắc Ritz để xây dựng các sơ đồ phân rã có năng lượng kích thích cao hơn 2 MeV. II. Sơ đồ mức thực nghiệm theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng Nguyên tắc tổ hợp Ritz là phương pháp hay được sử dụng để xây dựng các sơ đồ phân rã từ năng lượng và cường độ của các chuyển dời gamma xác định được trong phản ứng (n,γ). Phương pháp này cho phép xây dựng được các sơ đồ phân rã tin cậy đến năng lượng kích thích từ 1.5÷2.0 MeV. Để xây dựng sơ đồ mức cho các vùng năng lượng cao hơn và đảm bảo tính độc lập trong nghiên cứu xây dựng sơ đồ mức, phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng được sử dụng để giải quyết vấn đề này. Thuật toán xác định các chuyển dời sơ cấp và thứ cấp của phương pháp như sau: Nếu ít nhất 2 trong các phổ nối tầng khác nhau (tương ứng với các đỉnh tổng khác nhau) có cùng chung một chuyển dời thì đó sẽ là chuyển dời sơ cấp. Như vậy, mức trung gian sẽ có năng lượng kích thích bằng hiệu số giữa năng lượng của mức xuất phát và năng lượng chuyển dời sơ cấp. Dịch chuyển sơ cấp về một mức trung gian có thể làm tăng mật độ mức, và tạo ra một hoặc nhiều chuyển dời thứ cấp về các mức cuối của hạt nhân. Do đó, trong phân bố cường độ nối tầng về các mức cuối, nối tầng sơ cấp và nối tầng thứ cấp tạo thành một cặp đỉnh. Chuyển dời sơ cấp có năng lượng giống nhau trong trong các phổ khác nhau. Các chuyển dời sơ cấp có năng lượng khác nhau tạo thành các nối tầng về các mức cuối khác nhau. Do đó vấn đề xây dựng sơ đồ phân rã được đơn giản thành tìm kiếm nhóm các đỉnh trong số các chuyển dời nối tầng về các mức cuối khác nhau mà giá trị kỳ vọng toán 6 học của chúng khác nhau giữa các vị trí của các đỉnh i và j bất kỳ là gần bằng không. Trong thực tế, khi phương pháp tương đồng cực đại được sử dụng, cần thiết sử dụng phương pháp phân bố nhiều chiều như một hàm tương đồng cực đại để mô tả xác suất phân bố kết hợp với một độ lệch ngẫu nhiên của vị trí đỉnh thực nghiệm từ giá trị kỳ vọng toán học của chúng. Chúng ta xác định sự khác nhau về vị trí đỉnh thứ k và l trong phổ phân bố cường độ nối tầng được đánh số i và j tương ứng Rijkl=Eik-Ejl, (2) Trong đó E là vị trí đỉnh có thể được biểu diễn dưới dạng năng lượng hoặc kênh. Nếu gọi phương sai σ2 của các giá trị thực nghiệm E với các giá trị kỳ vọng toán học của chúng và ξ là một giá trị ngẫu nhiên, biểu thức trên có thể viết lại như sau: Rijkl=σikξik - σjkξjl +q (3) Tham số q là giá trị khác nhau chưa biết giữa và . Với các đỉnh ứng với chuyển dời thật sẽ có kỳ vọng toán học bằng 0. Hàm tương đồng cực đại với các biến trên sẽ có dạng đặc trưng sau: 2/11 )(det)..( 2 1exp. −− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡−= BRconstL BRT (4) Trong đó R là véc tơ cột, T chỉ sự chuyển vị. Các giá trị của các phần tử ma trận B được xác định từ giá trị kỳ vọng của các phần tử của ma trận R.RT dưới dạng các giá trị σ2 với các chỉ số tương ứng với số phổ và số đỉnh. Giá trị cực tiểu của q là điều kiện cần để thu được giá trị tốt nhất nhưng không phải là điều kiện đủ để xếp hết N đỉnh trong M phổ có các năng lượng dịch chuyển giống nhau. Từ phân tích biểu thức RTB-1.R chọn lựa các giá trị đơn 7 trị. Trong trường hợp các đỉnh phân tích thu được thuộc về các các dịch chuyển gamma giống nhau và giá trị σ2 là không thay đổi, giá trị của phân bố có thể được mô tả bằng phân bố χ2 với N-1 bậc tự do. Trong thực tế, N đỉnh là trùng phùng quan tâm nếu thoả điều kiện sau: σ2≤q ; (5) 2 1 1 − − < NT RBR χ (6) Trong đó là sai số trung bình trong xác định năng lượng dịch chuyển trong phân rã gamma nối tầng bậc hai và là giá trị tương ứng của phân bố với mức 99% của diện tích. 2 1−Nχ Điều kiện trên được kiểm tra độc lập với điều kiện thứ nhất và thứ hai của dịch chuyển. Với các dịch chuyển sơ cấp chúng ta chọn dịch chuyển có giá trị q cực tiểu. Nếu các giá trị với hai lượng tử nối tầng là thoả mãn điều kiện (5) chúng ta chọn chuyển dời có N cực đại làm chuyển dời sơ cấp. Hàm tương đồng cực đại và điều kiện (5) đảm bảo thu được sự phù hợp và đơn trị của các năng lượng thu được trong xây dựng sơ đồ phân rã. Khả năng bổ sung thêm các mức vào sơ đồ phân rã tăng khi các mức thực của sơ đồ được phân tích. Sơ đồ phân rã thu được từ thực nghiệm có thể đã bị biến dạng do chúng ta thêm các năng lượng dịch chuyển nối tầng E1 và E2 một cách ngẫu nhiên, giá trị phương sai của phân bố σξ có phương sai σ2 và trung vị: i i ii ii EE EE σξ σξ − + >=< >=< 22 11 (7) 8 Tương quan này liên hệ trực tiếp đến sự thật đó là khi phương pháp cải thiện độ phân giải được sử dụng, sai số trong xác định năng lượng của các chuyển dời nối tầng là hoàn toàn không liên quan. Với các nối tầng không xếp được vào sơ đồ phân rã theo nguyên tắc trên (chẳng hạn như sự tăng các nối tầng sơ cấp do phân rã của các mức trung gian chỉ có một dịch chuyển đơn lẻ). Chúng được xếp vào sơ đồ phân rã theo giả thuyết rằng các dịch chuyển cứng là các dịch chuyển sơ cấp vì xác suất phát gamma trung bình tỉ lệ với (với các chuyển dời E3γE 1 và M1) hoặc (với dịch chuyển E 5 γE 2). Sự sắp xếp thêm này dựa vào thực tế là hầu hết các dịch chuyển xếp được vào sơ đồ phân rã đều thoả mãn điều kiện này. Do phông compton bị loại trừ gần như hoàn toàn nên khả năng phát hiện các chuyển dời yếu lớn hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này cho phép tìm ra các trạng thái kích thích mới và do vậy, sơ đồ mức kích thích thực nghiệm sẽ đầy đủ hơn và việc đánh giá lý thuyết cấu trúc hạt nhân về phân bố các mức kích thích sẽ tốt hơn. III. Khả năng xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ phân rã từ phản ứng (n,γ) Để hoàn thiện sơ đồ phân rã gamma của hạt nhân ở trạng thái kích thích, cần sử dụng thêm các thông tin khi đo bằng hệ phổ kế triệt compton để xác định thêm các dịch chuyển trực tiếp từ trạng thái kích thích ban đầu về trạng thái cơ bản hoặc tạo các trạng thái đồng phân sống dài (không phân rã nối tầng) mà phương pháp trùng phùng gamma-gamma không ghi nhận được. Hiệu quả của việc kết hợp thông tin phổ học từ phản ứng (n,γ) đo bằng hai phương pháp là rất lớn. Tất nhiên, chọn lựa các sự kiện nối tầng bậc hai, bậc ba,... trong số lớn các chuyển dời thu nhận với các detectơ bán dẫn sẽ tạo nên khả năng tìm ra tất cả các dịch chuyển gamma và vai trò độc lập của chúng trong phân rã gamma (bắt đầu ở một ngưỡng nhất định). 9 Xây dựng các sơ đồ phân rã bằng việc kết hợp thông tin từ hai kiểu đo làm tăng khả năng xác định đơn trị đặc trưng của mức cuối của nối tầng. Đây là đặc trưng quan trọng trong trường hợp phân rã của các hạt nhân biến dạng với mật độ trạng thái kích thích được nghiên cứu cao. Ở đó, phần lớn các chuyển dời gamma bội chưa xác định được năng lượng sẽ được xác định và xếp chúng vào sơ đồ phân rã một cách đơn trị. Các phân tích liên hợp hầu như phát hiện ra các mức bội với khoảng cách giữa các mức rất hẹp (từ ∆E~1÷3 keV) ở các năng lượng kích thích khác nhau, cũng giống như phân bố cường độ sơ cấp của chúng. Tổng Σjγ của cường độ các chuyển dời thứ cấp trong phân rã của các trạng thái năng lượng trung gian có thể được xác định đơn trị. Nếu phổ của các detectơ đơn được sử dụng để xác định cường độ iγ của các dịch chuyển γ từ trạng thái hợp phần về các mức trung gian và từ các trạng thái trung gian về các trạng thái cuối, với hai lượng tử gamma nối tầng biểu thức tỉ số giữa cường độ nối tầng iγγ và cường độ của chuyển dời sơ cấp, thường được chuẩn tuyệt đối theo số phân rã: iγγ/iγ=(iγjγ/Σjγ)/iγ=jγ/Σjγ (8) Hầu như có thể xác định đơn trị Σjγ cường độ của các chuyển dời không quan sát được trong các phản ứng (n,2γ) về các mức nối tầng cuối nằm cao. Đại lượng này có thể được so sánh đánh giá trên các mẫu thống kê khác nhau. Tổng Σjγ thu được là bằng tổng của các cường độ iγ của các nối tầng gamma bậc hai, ba,... tương ứng với trạng thái kích thích dịch chuyển. III. Đánh giá phân bố mật độ mức kích thích ρ và hàm lực photon k của các dịch chuyển nối tầng 10 Hàm lực photon và mật độ mức ρ xác định độ rộng bức xạ toàn phần của trạng thái hợp phần Γ )/( 3/23 λγλ DAEk i ××Γ= λ và cường độ bức xạ nối tầng Iγγ thu được dưới dạng sau: ii mλλλ ×Γ=Γ , (9) ∑∑∑ Γ Γ Γ Γ=Γ Γ Γ Γ= f ifif if i ii i i if f i i m n m I ,, λ λ λλ λ λ λ λ γγ (10) Γλi là độ rộng riêng phần của dịch chuyển gamma có năng lượng Eγ, A là khối lượng hạt nhân và D là khoảng cách giữa các mức phân rã λ. Các giá trị của độ rộng gamma toàn phần và riêng phần được tính cho trạng thái hợp phần λ và mức trung gian i của nối tầng tương ứng; m là tổng số mức kích thích và n là số mức kích thích trong khoảng năng lượng xác định cường độ nối tầng trung bình. Tất cả các tính toán đã được tiến hành với một giá trị ∆E. Khoảng lấy tổng trên các mức cuối f của nối tầng f đã được xác định bằng khả năng thực nghiệm. Khoảng của spin lấy tổng trên các mức trung gian i được xác định gần đúng bằng quy luật chọn lựa lưỡng cực; tổng của mức phân rã λ là cần trong trường hợp các kênh spin hai kích thích khi bắt nơtron nhiệt. Các phương trình (9) và (10) không cho phép xác định k và ρ độc lập tường minh. Ví dụ, độ lệch của ρ từ các giá trị thực là hiển nhiên có thể bù trừ được với độ lệch của hàm lực với biên độ tương ứng. Mối tương quan này tăng một cách có ý nghĩa cả hai khoảng của các giá trị chấp nhận với mật độ mức của các giá trị chẵn, lẻ và hàm lực của các dịch chuyển M1 và E1. Các đại lượng này xác định độ rộng toàn phần và cường độ của các nối tầng. Tuy nhiên, theo phân tích của một số tác giả khi sử dụng tất cả các số liệu thực nghiệm cho thấy tổng mật độ của các mức có độ chẵn lẻ khác nhau hoặc của hàm lực của 11 các dịch chuyển điện từ thu được không vượt quá 40÷50% với tất cả các năng lượng kích thích thu được của hạt nhân nghiên cứu. IV. Sai số hệ thống trong việc xác định các tham số Sai số hệ thống trong xác định mật độ mức chủ yếu phụ thuộc vào xác định chính xác năng lượng của các cặp đỉnh trong phổ nối tầng dẫn đến sự sai khác trong xây dựng sơ đồ mức khi xác định các chuyển dời sơ cấp với các độ chính xác khác nhau. Thực tế cho thấy khi xây dựng sơ đồ phân rã với các sai số từ 1÷2 keV tức nằm trong khả năng phân giải của hệ phổ kế sự sai khác trong giá trị mật độ mức không vượt quá 5%. Sai số mắc phải chủ yếu vẫn do xác định các chuyển dời có cường độ bé. Trong thực nghiệm nghiên cứu phân rã nối tầng bậc hai bằng trùng phùng gamma-gamma, xác suất ghi nhận lượng tử gamma nối tầng bậc ba như một nối tầng bậc hai là rất nhỏ. Xác suất này đóng góp trực tiếp vào diện tích các đỉnh có sự sai khác giữa mức đầu và mức cuối lớn hơn 3, |Iλ-If|≥3. Bên cạnh xác suất ghi nhận bé, các phân rã gamma nối tầng của các dịch chuyển lưỡng cực M1+E2 hoặc E1+M2 cũng có cường độ bé. - Xác suất ghi nhận năng lượng toàn phần của nối tầng trong trường hợp có trao đổi năng lượng giữa hai detectơ đã được giảm từ 12% đến 0,2% khi sử dụng một phin lọc chì. - Sự biến dạng của phân bố cường độ gamma nối tầng tạo ra từ phân bố góc do hình học đo không vượt quá 5%. Sai số có thể đóng góp vào giá trị thu được khi tích phân trên góc được chuẩn hoá với giá trị cường độ tuyệt đối đã biết. - Số liệu thực nghiệm phân tích phù hợp với phân bố thực nghiệm giống như một đối xứng gương chỉ phụ thuộc vào năng lượng của các chuyển dời sơ cấp và thứ cấp của nối tầng. Quá trình này cho phép thu được quan hệ Iγγ=f(E1) 12 với sai số bé hơn 5%, khi số liệu thực nghiệm đủ thống kê. Đánh giá này đã được suy từ tích lũy cường độ tổng của tất cả các nối tầng phân tách được với một năng lượng dịch chuyển sơ cấp được chọn về mức dưới của nó. - Sai số cực đại trong xác định cường độ nối tầng thực nghiệm vào cỡ 20%. Sai số này rất khó giảm được do sự xác định không chính xác cường độ chuyển dời sơ cấp trong phản ứng (n,γ). Với các nghiên cứu đã được tiến hành, sai số hệ thống trong k và ρ được giả thuyết rằng đã làm tăng tổng cường độ nối tầng bậc hai một hệ số cỡ 1.5. Sự tăng này không làm thay đổi dạng hàm của ρ và k. - Tất cả các mức trong khoảng năng lượng kích thích phân bố đơn lẻ làm giảm xác suất phân bố của dịch chuyển M1 và E1, giống như một mức bất kỳ trong cửa sổ chọn lựa spin theo quy tắc chọn lựa và phù hợp với sự phụ thuộc của hàm sóng của các cộng hưởng nơtron và mức nối tầng trung gian Ei. 13 MÔ TẢ MẬT ĐỘ MỨC I. Tình hình mô tả mật độ mức Tính thống kê của các mức hạt nhân kích thích từng là chủ đề được quan tâm và nghiên cứu trong suốt hơn 50 năm qua. Một trong những tính chất thống kê cơ bản của các mức là mật độ mức. Đối với việc mô tả mật độ mức, mẫu nhiệt độ không đổi và mẫu khí Fermi được sử dụng thường xuyên với các thông số thu được từ việc làm khớp với dữ liệu thực nghiệm. Nhưng những giả thuyết của cả hai mẫu trên đều không thể cho phép chúng miêu tả chính xác các điểm khác nhau của mật độ mức trên khoảng năng lượng rộng từ trạng thái cơ bản đến các năng lượng cao hơn năng lượng liên kết của nơtron. Những hiệu ứng cơ bản nhất hiện nay được sử dụng để xây dựng lên các mẫu hạt nhân bao gồm hiệu ứng vỏ, hiệu ứng kết đôi và hiệu ứng tập thể. Các hiệu ứng này được thể hiện đầy đủ trong mẫu siêu lỏng suy rộng (Generalized Superfluid Model). Mẫu này đã được nhiều học giả phát triển trong suốt hơn 20 năm qua, bên cạnh đó sự phân tích số liệu thực nghiệm cũng được phát triển đồng thời để làm các cơ sở kiểm chứng và hiệu chỉnh lại các mẫu lý thuyết. Theo Sokolov Iu.P., mô tả mật độ mức trạng thái hạt nhân với các đặc trưng lượng tử xác định là một trong những công việc chính của vật lý hạt nhân. Hiện nay, việc tính toán mật độ mức trạng thái của hạt nhân được thực hiện bằng một số phương pháp sau đây: * Phương pháp tổ hợp: Phương pháp này được dựa trên việc giải bài toán trị riêng, chúng ta sẽ thu được mật độ mức của hạt nhân (số trạng thái trong một khoảng năng lượng) nhờ việc giải bài toán trị riêng này. Halmintonian của hạt nhân có dạng: 14 (11) qpairsp HHHH ˆˆˆˆ ++= Với là thế hạt nhân một hạt mô tả trường trung bình của hệ các nucleon. là phần tương tác cặp trong kênh hạt-hạt dẫn đến tương quan cặp dạng siêu chảy. là phần tương tác dư trong kênh hạt-lỗ trống. spHˆ pairHˆ qHˆ Phương pháp này cho phép tính toán mật độ mức ở năng lượng kích thích bất kỳ trên cơ sở đã biết Hamiltonian của hạt khi nghiên cứu các trạng thái kích thích thấp. Tuy nhiên, việc giải phương trình này trên thực tế là bài toán khó đối với không chỉ những người làm công tác thực nghiệm mà cả những người chuyên tính toán lý thuyết cấu trúc hạt nhân. * Phương pháp nhiệt động học: Phương pháp này dựa trên việc xác định entropi của hệ. Nếu chúng ta giả thiết hạt nhân là một hệ các hạt cô lập và được đặc trưng bằng M+1 tích phân chuyển động (M là số thông số tự do), thì sự liên hệ giữa mật độ trạng thái P của hệ và entropi S của hệ được biễu diễn bằng công thức sau: ( ) ( )( )( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ∆= + 2/12/12exp M qSqP π (12) Để xác định P(q), ta cần xác định entropi của hệ, nhưng để làm điều này ta cần phải biết phổ trạng thái của hệ (giải bài toán trị riêng với Hamiltonian). Do vậy, biểu thức (12) không thể làm cơ sở để tính chính xác giá trị của mật độ mức. * Phương pháp bán vi mô: Phương pháp này dựa trên một số giả thiết để làm đơn giản vấn đề hơn: Ví dụ như: Coi hạt nhân nói trên như một hệ hạt khí tuân theo phân bố Fermi. Trong những mẫu lý thuyết này, người ta chú ý tới các hiện tượng khác nhau không liên quan tới tính thống kê như sự tương tác cặp và dao động bề mặt của hạt nhân. 15 Với những giả thiết về hạt nhân như một hệ khí tuân theo phân bố Fermi, thì mật độ mức trạng thái kích thích được xác định là hàm của năng lượng kích thích E với hai thông số a và σ [2]. Sự phụ thuộc của mật độ mức vào năng lượng kích thích và spin có dạng: ( ) ( ) ( )( ) 4/54/13 2 2 224 2 2/12exp12 , Ea JaEJ JE σ σρ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−+ = (12) còn mật độ mức toàn phần phụ thuộc vào năng lượng theo công thức: ( ) ( ) 4/54/1 Ea212 aE2expE σ ρ = (13) với a là thông số mật độ mức, σ2 là thông số phụ thuộc spin và được tính như sau: 2 2 2 6 maEπσ = (14) Các số liệu thực nghiệm về mật độ mức cộng hưởng nơtron hay chính xác hơn là các số liệu về khoảng cách trung bình D giữa các cộng hưởng là thông tin trực tiếp kiểm tra sự đúng đắn của công thức (12). Khoảng cách và vị trí của các cộng hưởng này được xác định một cách dễ dàng với các hệ phổ kế nơtron như hệ phổ kế thời gian bay. Việc so sánh với số liệu thực nghiệm cho thấy sự phụ thuộc của tham số mật độ mức nói trên cần được bổ sung thêm những hiệu ứng không liên quan tới các giả thiết thống kê: - Hiệu ứng cặp nucleon. - Hiệu ứng lớp [3,7]. Các số liệu thực nghiệm về thông số mật độ mức không phụ thuộc đơn điệu vào số khối A. Mối tương quan giữa tỷ số a/A và bổ chính lớp (thể hiện trong mẫu lớp) đã được phát hiện và nghiên cứu trong công trình [4]. Sự tương quan đó chỉ ra vai trò quan trọng của hiệu ứng lớp trong việc mô tả các đặc trưng thống kê của hạt nhân. 16 Từ việc so sánh với số liệu thực nghiệm, người ta đã nhận thấy rằng trong một số trường hợp mật độ mức thấp được mô tả bằng công thức sau: ( ) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= T EE T E 0exp1ρ (15) Cần lưu ý rằng, đối với các hạt nhân với A < 40 và những hạt nhân có N hoặc Z nhỏ hơn số magic 1-2 đơn vị thì việc mô tả mật độ mức như công thức tổng thống kê lnQ(β,α) là không thích hợp cho vùng năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân. Điều này là do những hạt nhân này có số mức kích thích rất ít [4], việc chuyển sự mô tả mật độ mức từ vùng năng lượng thấp tới vùng năng lượng liên kết của nơtron ở trong hạt nhân là không đơn giản. Những điểm đặc biệt của thông số a được tính đến trong dạng chung được mô tả trong giả thiết của phương pháp bổ chính lớp. Các số liệu về sự tương quan của đại lượng a/A và bổ chính lớp là cơ sở để hệ thống hoá sự phụ thuộc của thông số a vào số khối A: ( ) ( ) ( ) ( )⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +⋅= E EfAZEAaAZEa ,1~,, 0 (16) trong đó f(E) và liên quan đến các giá trị A và E thông qua các thông số α và β dưới dạng sau: ( )Aa~ ( ) 2~ AAAa βα += (17) và ( ) ( )EEf γ−−= exp1 (18) Các giá trị α, β, γ được làm khớp với thực nghiệm bằng phương pháp bình phương tối thiểu, sau khi làm khớp với 203 hạt nhân thì ta có: α = 0.154; β = -6.3×10-5; γ = 0.054 MeV-2. Việc làm khớp đối với những hạt nhân trong những vùng nào đó có thể sẽ có giá trị khác nhau. 17 Dilg W. và các cộng sự đã đưa ra các phương pháp mô tả hiện tượng luận mật độ mức của hạt nhân trong vùng năng lượng kích thích từ 0÷10 MeV. Cơ sở của phương pháp này dựa trên các hệ thức của mẫu khí Fermi với sự dịch chuyển ngược phụ thuộc vào năng lượng kích thích E và moment góc J có dạng: ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 4/54/13 2 224 2 12exp12 , tEa JJEaJ JE +∆− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−∆−+ = σ σρ (19) Mật độ mức toàn phần có dạng: ( ) ( )( )( ) 4/54/1212 2exp tEa EaE +∆− ∆−= σρ (20) Nhiệt độ t được thu từ việc giải phương trình: (21) tatE −=∆− 2 Thông số phụ thuộc spin σ2 được xác định bằng công thức: ( ) 222/122 6 h JtmaE == πσ (22) Các biểu thức (19) và (20) không chuyển thành biểu thức của mẫu khí Fermi khi ∆ = 0, chúng chỉ có dạng gần giống các biểu thức của mẫu khí Fermi và không phân kỳ khi E→0 đối với ∆≤0. Các đại lượng a, ∆ và J được xác định từ số liệu thực nghiệm. Giá trị a và ∆ được chọn ở giữa giá trị Jtb và Jtb/2 với Jtb = 2/5MR2, với R = 2.25A1/3 fm: .0150.0 3/52 2 tA h tJtb ==σ Đối với các hạt nhân lẻ-lẻ và hạt nhân có số khối lẻ thì ∆ < 0, còn với hạt nhân chẵn-chẵn thì ∆ > 0 một chút [8]. Các giá trị lý thuyết có thể thu được bằng cách sử dụng mẫu siêu chảy để tính hiệu ứng chẵn lẻ. Nếu so sánh a và ∆ thu được với J = Jtb và J = Jtb/2 cho thấy: Với hạt nhân có A>70, các giá trị ∆ khác nhau cỡ 0.1MeV, còn các giá trị của a khác nhau cỡ 8%. 18 Dưới đây ta sẽ tìm hiểu thêm về mô tả mật độ mức theo mẫu khí Fermi và Fermi có dịch chuyển ngược. II. Một số giá trị của tham số mật độ mức Số liệu tích lũy các mức thấp của hạt nhân cũng rất quan trọng trong phân tích mật độ mức. Các mô tả trước đây cho thấy rằng số mức tích lũy phụ thuộc năng lượng được mô tả khá tốt bằng hàm: N(E) = exp[( E – E0)/T] (23) Trong đó E0 và T là các tham số tự do được xác định từ khớp số liệu thực nghiệm. Số các mức tích lũy N(E) liên quan với mật độ mức theo quan hệ: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −== T EE TdE dNElev )(exp1)( 0ρ (24) Tham số T là nhiệt độ hạt nhân, nó được giả sử là không đổi trên khoảng năng lượng được xét, mật độ mức tính theo (24) được gọi là mẫu nhiệt độ không đổi. Để thu được mô tả mật độ mức trong toàn dải năng lượng kích thích, mật độ mức kích thích thấp theo phương trình (24) được kết hợp với các tiên đoán của mẫu khí Fermi cho vùng năng lượng cao. Sự kết hợp các thông số của cả hai mẫu dựa trên điều kiện liên tục của mật độ mức và đạo hàm bậc nhất của nó ở một số năng lượng Ex = E0 + Tlnρfg(Ex). (25) 19 Hình 2. Các tham số mật độ mức của mẫu khí Fermi (phần trên) và năng lượng hiệu chỉnh cặp (phần dưới). Các phân tích của Gibert và Cameron được trình bày trong Hình 2 và Hình 3 cho thấy sự không phù hợp khi mô tả mật độ mức theo mẫu khí Fermi. 20 Hình 3. Tham số mật độ mức cho mẫu nhiệt độ không đổi. Gibert và Cameron đã hiệu chỉnh hiệu ứng chẵn-lẻ ở các năng lượng kích thích và đề nghị sự thay đổi tham số mật độ mức theo quan hệ: N)Q(Z,S(N)) S(Z) 0.00917( A a ++= (26) Trong đó S(I) là hiệu chỉnh lớp của proton và nơtron tương ứng, Q(Z,N) = 0.142 khi 54<Z<78, 86<N<122 và Q(Z,N) = 0.120 khi 86<Z<122, 130<N<182. Các giá trị thu được của tham số a phụ thuộc vào phạm vi xác định của giá trị spin ngưỡng. 21 Một trong những vấn đề hệ thống của mật độ mức là sự phụ thuộc năng lượng của tham số a. Kết quả của tất cả các tính toán về mật độ mức hạt nhân đều cho thấy sự suy giảm của hiệu ứng lớp ở năng lượng cao [6]. Khi tính đến sự suy giảm của hiệu ứng lớp lên tham số mật độ mức theo năng lượng, sự phụ thuộc này có thể được xác định gần đúng theo công thức: [ ]⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ −−+= )exp(11)(~),,( 0 U U EAaAZUa γδ , (27) a~ là tham số mật độ mức tiệm cận với a(U) ở năng lượng kích thích cao, δE0=S(N)+S(Z) là năng lượng hiệu chỉnh lớp và γ là tham số suy giảm. Hiệu chỉnh lớp được xác định: δE0 = Mexp(Z,A) – Mld(Z,A,β) (28) Trong đó M là giá trị độ hụt khối thực nghiệm và Mld là thành phần giọt chất lỏng của công thức khối lượng tính được cho các biến dạng hạt nhân cân bằng β. 22 XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ MỨC CỦA 172Yb VÀ 153Sm I. Mô tả thực nghiệm Thực nghiệm được tiến hành trên kênh ngang số 3 của Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt, cấu hình thực nghiệm được mô tả trên Hình 4. Thông lượng nơtron nhiệt tại vị trí mẫu ~106n.cm2.s-1, bia mẫu là hợp chất giàu đồng vị của các nguyên tố này với ô xy và có xuất xứ từ Nga. Thời gian tiến hành thực nghiệm với bia đồng vị 171Yb là 400 giờ đo và 152Sm là 600 giờ đo trong các đợt chạy lò từ tháng 7/2005 đến tháng 12/2006. Số liệu được thu nhận bằng hệ phổ cộng biên độ các xung trùng phùng dưới dạng code biên độ, được lưu tích luỹ thành nhiều tập tin theo thời gian đo trên máy tính để tránh các hiệu ứng không ổn định của hệ đo trong quá trình đo làm ảnh hưởng đến kết quả đo. Thiết bị chuẩn trục Chùm nơtron Detectơ ghi nhận bức xạ gamma Bia mẫu Che chắn phông bức xạ Hình 4. Bố trí thực nghiệm nghiên cứu phân rã gamma nối tầng. Số liệu được xử lý theo các thuật toán và quy trình xử lý của phương pháp được mô tả chi tiết trong các tài liệu [2] theo quy trình gồm các bước sau: - Chuẩn số liệu, - Tạo và xử lý phổ tổng, - Tìm các phổ nối tầng bậc hai tương ứng với các đỉnh tổng tìm được, - Tính cường độ dịch chuyển gamma nối tầng và xây dựng sơ đồ mức, - Tính mật độ mức thực nghiệm và xác suất dịch chuyển, - Tìm và tính xác suất phân rã theo các kênh phân rã khác nhau của các trạng thái kích thích trung gian do các dịch chuyển sơ cấp mạnh tạo nên. 23 Sai số trong quá trình xác định năng lượng của dịch chuyển gamma chủ yếu phụ thuộc vào độ phân giải của hệ phổ kế tại năng lượng tương ứng của dịch chuyển gamma ghi nhận được, còn sai số trong xác định cường độ dịch chuyển sẽ phụ thuộc chủ yếu vào sai số thống kê số đếm tại đỉnh. Số liệu sau khi xử lý xong sẽ được đánh giá thống kê theo các phương pháp khác nhau để tìm ra các quy luật chung nhằm mục đích đánh giá các quy luật phân rã, sự phân bố của các trạng thái kích thích cũng như sự dịch chuyển của nucleon trong lớp vỏ của các hạt nhân này ở trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản. II. Một số phổ thực nghiệm 6500 7000 7500 8000 100 1000 5000 5500 6000 1500 2000 2500 3000 3500 70 02 74 27 79 45 80 25 C ou nt s keV 171Yb(n,γ)172Yb 54 53 57 73 58 30 58 58 C ou nt s keV 152Sm(n,γ)153Sm Hình 5a. Một phần phổ tổng của phản ứng 171Yb(n,γ)172Yb với nơtron nhiệt. Hình 5b. Một phần phổ tổng của phản ứng 152Sm(n,γ)153Sm với nơtron nhiệt. 0 200 400 600 -20000 0 20000 40000 60000 80000 100000 400 600 800 1000 1200 0 5000 10000 15000 20000 25000 59 6 86 8 26 0 33 2 44 0 51 2 C ou nt s keV E1+E2=1464 C ou nt s keV E1+E2=771 Hình 6a. Phổ gamma phân rã nối tầng bậc hai từ trạng thái Bn về mức cuối 5086keV của 153Sm. Hình 6b. Phổ gamma phân rã nối tầng bậc hai từ trạng thái Bn về mức cuối 6560keV của 172Yb. 24 E1+E2=7946keV 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 628 1255 1882 2509 3136 3763 4390 5017 5644 6271 6898 7525 Hình 7. Phổ hai dịch chuyển nối tầng 5542keV và 2402keV của 172Yb. Hình 8. Phổ các dịch chuyển gamma từ mức 2482±2keV về các mức thấp hơn. III. Số liệu thực nghiệm đo trùng phùng gamma-gamma của 172Yb và 153Sm Bảng 1. Các mức kích thích trung gian do dịch chuyển gamma sơ cấp từ mức có spin 0+ của phản ứng Yb171(nth,γ)172Yb (số liệu được xác định với sai số ±1keV). 1764.94 2008.95 2873.38 3854.18 6724.42 6923.12 7062.14 7427.23 1787.07 2022.09 3389.09 5621.27 6735.37 6929.61 7155.74 7514.23 1792.88 2195.04 3506.23 6552.05 6819.41 6948.63 7165.56 7524.16 1808.86 2329.95 3539.76 6558.92 6904.21 7027.28 7416.47 7547.17 Bảng 2. Các mức kích thích trung gian do dịch chuyển gamma sơ cấp từ mức có spin 0+ của phản ứng Yb171(nth,γ)172Yb (số liệu được xác định với sai số +1keV). 868.28 1787.07 2414.35 3539.76 6747.11 6930.52 7087.44 7417.72 7514.23 1204.61 1792.88 2480.73 3559.73 6820.26 6948.63 7105.38 7427.23 7514.39 1471.95 2008.95 2613.15 3854.18 6904.21 7027.28 7156.02 7428.08 7517.07 1549.76 2022.09 2873.38 6558.92 6905.31 7062.14 7156.86 7428.27 7529.29 1635.12 2195.04 3389.09 6724.42 6923.12 7062.75 7416.47 1764.94 2329.95 3506.23 6729.72 6929.61 7081.59 25 Bảng 3. Các mức kích thích trung gian do dịch chuyển gamma sơ cấp từ mức có spin 0+ của phản ứng Yb171(nth,γ)172Yb (số liệu được xác định với sai số -1keV). 1170.57 2022.09 3389.09 6552.05 6819.41 6947.37 7155.74 7513.17 1764.94 2195.04 3506.23 6558.92 6904.21 6948.63 7165.56 7514.23 1787.07 2329.46 3539.76 6724.42 6921.61 7027.28 7416.47 7524.16 1792.88 2329.95 3854.18 6735.37 6923.12 7060.44 7427.05 7529.29 2008.95 2873.38 5621.27 6740.08 6929.61 7062.14 7427.23 7547.17 Bảng 4. Các mức kích thích trung gian do dịch chuyển gamma sơ cấp từ mức có spin (½)+ của phản ứng 152Sm(nth,γ)153Sm (số liệu được xác định với sai số ±1keV). 5575.97 5275.45 5028.3 4701.79 4641.63 4384 4043.91 3725.83 3381.73 5545.36 5263.26 5025.31 4697.46 4639 4371.97 4014.65 3708.62 3376.1 5532.12 5255.15 5020.99 4694.29 4623.34 4307.39 3993.88 3705.9 3330.73 5525.64 5230 4991.27 4691.97 4607.68 4302.14 3962.55 3688.4 3321.92 5506.12 5227.45 4951.68 4688.57 4562 4222.5 3945.04 3685.23 3310.58 5462.88 5198.26 4898.69 4676.38 4525.75 4173.13 3936.55 3660.16 3296.6 5419.68 5182.65 4861.91 4672.29 4518.12 4116.72 3928.17 3649.02 3288.7 5385.21 5146.54 4810.51 4666.87 4506.37 4113.11 3877.78 3642.6 3272.46 5383.09 5121.44 4769.51 4663.2 4477.31 4108.45 3842.06 3636.76 3243.69 5380.73 5105.08 4760.57 4661.18 4462.89 4084.88 3830.38 3556.52 3157.07 5348.6 5048.15 4756.97 4658.79 4457.15 4072.29 3780.11 3544.03 2980.86 5290.2 5041.38 4753.78 4656.31 4441.88 4048.4 3757.34 3384.16 Bảng 5. Các mức kích thích trung gian do dịch chuyển gamma sơ cấp từ mức có spin (½)+ của phản ứng 152Sm(nth,γ)153Sm (số liệu được xác định với sai số +1keV). 5675.63 5385.32 5263.49 5090.38 4760.57 4658.79 4302.14 3842.06 3376.1 5575.97 5385.21 5263.26 5048.15 4757.61 4656.31 4222.5 3830.38 3330.73 5545.36 5383.09 5255.15 5041.38 4756.97 4641.63 4173.13 3780.11 3321.92 5532.12 5380.73 5230 5029.66 4754.58 4639 4116.72 3757.34 3310.58 5526.86 5350.09 5229.38 5028.3 4753.78 4623.34 4113.67 3725.83 3296.6 5525.95 5349.8 5229.03 5025.31 4701.79 4607.68 4113.11 3708.62 3288.7 5525.92 5349.4 5227.45 5020.99 4697.46 4562 4108.45 3705.9 3272.46 5525.81 5349.33 5199.43 4992.27 4694.29 4525.75 4084.88 3688.4 3243.69 5506.12 5348.81 5199.37 4991.27 4691.97 4518.12 4072.29 3685.23 3157.07 5420.99 5348.7 5198.26 4951.68 4690.27 4506.37 4043.91 3660.16 2980.86 5420.65 5348.6 5182.65 4898.69 4688.57 4477.31 4014.65 3649.02 5420.58 5290.2 5148.16 4876.79 4676.38 4462.89 3993.88 3642.6 5420.2 5287.76 5146.54 4874.64 4672.29 4457.15 3962.55 3636.76 5419.92 5275.58 5122.23 4861.91 4666.87 4441.88 3945.04 3556.52 5419.9 5275.45 5122.2 4812.14 4664.06 4384 3936.55 3544.03 5419.68 5264.01 5121.44 4810.51 4663.2 4371.97 3928.17 3447.07 5385.33 5263.71 5105.08 4769.51 4661.18 4307.39 3877.78 3381.73 26 Bảng 6. Các mức kích thích trung gian do dịch chuyển gamma sơ cấp từ mức có spin (½)+ của phản ứng 152Sm(nth,γ)153Sm (số liệu được xác định với sai số -1keV). 5575.97 5382.76 5230 5019.66 4697.46 4639 4222.5 3928.17 3636.76 5545.36 5380.73 5227.45 4991.27 4694.29 4623.34 4173.13 3877.78 3556.52 5544.86 5380.29 5198.26 4990.33 4691.97 4607.68 4116.72 3842.06 3544.03 5532.12 5376.27 5196.77 4989.47 4688.57 4562 4113.11 3830.38 3384.16 5525.64 5348.6 5182.65 4951.68 4687.91 4525.75 4108.45 3780.11 3381.73 5525.38 5348.27 5146.54 4951.26 4687.67 4518.12 4084.88 3757.34 3376.1 5524.45 5290.2 5146.06 4898.69 4676.38 4506.37 4072.29 3725.83 3330.73 5506.12 5275.45 5121.44 4861.91 4672.29 4477.31 4071.33 3708.62 3321.92 5462.88 5274.57 5121.1 4810.51 4666.87 4462.89 4048.4 3705.9 3310.58 5457.91 5263.26 5120.16 4793.27 4663.2 4457.15 4043.91 3688.4 3296.6 5444.37 5263.17 5105.08 4769.51 4661.18 4441.88 4014.65 3685.23 3288.7 5419.68 5262.75 5048.15 4760.57 4658.79 4384 3993.88 3660.16 3272.46 5419.61 5262.71 5041.38 4756.97 4656.31 4371.97 3962.55 3649.02 3243.69 5385.21 5255.15 5028.3 4753.78 4656.14 4307.39 3945.04 3647.85 3157.07 5383.09 5244.64 5025.31 4701.79 4641.63 4302.14 3936.55 3642.6 2980.86 IV. Mật độ mức thực nghiệm các trạng thái kích thích trung gian tạo ra sau dịch chuyển gamma sơ cấp của Sm153 và 172Yb theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng 1 2 3 4 5 6 7 8 0 .0 00 0 .0 01 0 .0 02 0 .0 03 0 .0 04 0 .0 05 0 .0 06 ρ/M eV M e V 172Y b Hình 9. Mật độ mức thực nghiệm các trạng thái kích thích ứng với dịch chuyển gamma sơ cấp của 172Yb. 27 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 0 5 . 5 0 . 0 0 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 M e V ρ/M eV 1 5 3 S m Hình 10. Mật độ mức thực nghiệm các trạng thái kích thích ứng với dịch chuyển gamma sơ cấp của 153Sm Bảng 7. Khả năng xác định các mức trung gian tạo ra từ mức trung gian thứ nhất bằng thực nghiệm (khả năng xác định các hệ số rẽ nhánh). Gate (keV) Các tia gamma trùng phùng (keV) 5542 328, 509, 596, 857, 870, 1041, 1204, 1302, 1473, 1725, 1917, 2008, 2120, 2251, 2406 Mức dưới Mức tương ứng 2482 2156, 1975, 1888, 1627, 1614, 1443, 1280, 1182, 1011, 759, 567, 476, 364, 233, 78 Gate* (keV) Các tia gamma trùng phùng* (keV) 78.7 961 181.5 857.6, 912, 961, 1588 278.1 857.6, 1039.2, 1118 476.3 1521 490.4 1093.6 602.6 1076.2 Ghi chú: *Số liệu đo sử dụng bia đồng vị 171Yb có mật độ 200 mg.cm-2, thông lượng nơtron nhiệt 108 n.cm-2, sử dụng các detectơ Ge(Li) có thể tích 15cm3 và 31cm3. Ngưỡng xác định được đặt ở các khoảng năng lượng 0÷1MeV và 1÷2MeV, sử dụng hệ trùng phùng nhanh chậm. Các kết quả thí nghiệm được trình bày trong báo cáo của W Gelletly [5]. V. Khả năng hoàn thiện sơ đồ phân rã và xác định mật độ mức thực nghiệm Để hoàn thiện sơ đồ phân rã của một hạt nhân cần phải biết được tất cả các kiểu phân rã của hạt nhân từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản. Điều đó đạt được bằng các kiểu ghi đo bức xạ khác nhau như trùng phùng beta- 28 gamma, trùng phùng gamma-gamma, đo đối trùng giảm phông,… Ngoài ra, các dải năng lượng ghi nhận và hiệu suất ghi được sử dụng trong từng cấu hình đo cũng là vấn đề được lưu ý và kết hợp. Như vậy, không thể có một phương pháp thực nghiệm nào có thể cung cấp đầy đủ thông tin về kiểu phân rã hay thông tin về tất cả các trạng thái kích thích của hạt nhân. Để hoàn thiện sơ đồ phân rã của hạt nhân từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, số liệu của tất cả các phương pháp đo cần được kết hợp với nhau. Sự bổ sung thêm các trạng thái kích thích trung gian sẽ là cơ sở tốt để kiểm chứng các mô hình lý thuyết nghiên cứu mật độ mức hay cấu trúc hạt nhân. Việc chính xác hoá các tham số mô tả trong các mẫu sẽ là cơ sở tốt để đánh giá số liệu hạt nhân trong những vùng năng lượng chưa đo được hoặc khó khăn khi tạo ra các bia giàu đồng vị để nghiện cứu. Dưới đây chúng ta sẽ kết hợp số liệu các trạng thái kích thích trung gian thứ nhất từ Nuclear Data Sheet để đánh giá mật độ mức các trạng thái kích thích trung gian tạo ra sau các dịch chuyển sơ cấp từ mức kích thích thứ nhất có spin 0+ trong hạt nhân 172Yb và spin ½+ trong hạt nhân 153Sm. Bảng 8. Các mức kích thích trung gian thứ nhất tạo ra sau dịch chuyển gamma sơ cấp từ phản ứng 171Yb(nth,γ)172Yb. 1764.94 4220.3* 4730.1* 5318.9* 6124.62* 1787.07 4233* 4736.2* 5342.2* 6169.84* 1792.88 4252.8* 4759.1* 5351.1* 6225.0* 1808.86 4264.6* 4764.9* 5391.3* 6410.34* 2008.95 4271.7* 4813.8* 5411.5* 6420.48* 2022.09 4278.4* 4843.7* 5420.3* 6542.44* 2195.04 4300.1* 4878.0* 5430.7* 6552.05 2329.95 4305.1* 4888.7* 5436.4* 6553.03* 2873.38 4338.4* 4899.2* 5443.55* 6558.92 3389.09 4349.6* 4920.6* 5459.7* 6614.12* 3506.23 4362.3* 4944.5* 5472.2* 6724.42 3539.76 4378.9* 4982.5* 5480.0* 6735.37 3667.8* 4385* 4999.1* 5484.3* 6819.41 3767.8* 4391.8* 5017.8* 5495.05* 6820.62* 3854.18 4432.4* 5025.5* 5515.28* 6864.28* 3856.5* 4449.3* 5033.9* 5538.8* 6901.32* 29 Bảng 8 (tt). Các mức kích thích trung gian thứ nhất tạo ra sau dịch chuyển gamma sơ cấp từ phản ứng 171Yb(nth,γ)172Yb. 3941.1* 4462* 5059.4* 5555.06* 6904.21 3957.2* 4475.9* 5076.2* 5621.27 6923.12 3963.1* 4513.3* 5102.8* 5630.7* 6929.61 3975.9* 4524.6* 5131.9* 5643.63* 6948.63 3998.5* 4529* 5147.0* 5677.23* 6976.22* 4010.5* 4554.2* 5157.4* 5690.89* 7027.28 4028.6* 4592.9* 5174.9* 5702.2* 7062.14 4034.4* 4611.4* 5184.6* 5706.9* 7155.74 4056.3* 4631.7* 5200.7* 5791.2* 7165.56 4063.6* 4637.8* 5211.2* 5824.84* 7416.47 4091.7* 4652.6* 5231.6* 5915.86* 7427.23 4102* 4658.6* 5237.8* 5943.15* 7514.23 4111* 4672.7* 5242.4* 5972.6* 7524.16 4142.9* 4684.7* 5252.9* 6009.15* 7547.17 4163* 4710.8* 5271.9* 6062.48* 7940.36* 4199.8* 4719.1* 5286.4* 6100.0* Ghi chú: * Số liệu tham khảo từ Nuclear Data Sheets, số liệu có giá trị keV. Bảng 9. Các mức kích thích trung gian thứ nhất tạo ra sau dịch chuyển gamma sơ cấp từ phản ứng 152Sm(nth,γ)153Sm. 6.6* 1924.5* 3842.06 4623.34 5121.44 35.4* 1933.4* 3877.78 4639 5146.54 127.1* 2496.2* 3928.17 4641.63 5182.65 276.4* 2642.4* 3936.55 4656.31 5198.26 321* 2980.86 3945.04 4658.79 5227.45 355.2* 3157.07 3962.55 4661.18 5230.00 361.6* 3243.69 3993.88 4663.2 5255.15 405* 3272.46 4014.65 4666.87 5263.26 414.9* 3288.7 4043.91 4672.29 5275.45 481.2* 3296.6 4048.4 4676.38 5290.2 584.1* 3310.58 4072.29 4688.57 5348.6 630.2* 3321.92 4084.88 4691.97 5380.73 647.6* 3330.73 4108.45 4694.29 5383.09 695.3* 3376.1 4113.11 4697.46 5385.21 734.7* 3381.73 4116.72 4701.79 5419.68 750.2* 3384.16 4173.13 4753.78 5462.88 916.5* 3544.03 4222.5 4756.97 5506.12 984* 3556.52 4302.14 4760.57 5525.64 1004* 3636.76 4307.39 4769.51 5532.12 1018* 3642.6 4371.97 4810.51 5545.36 1110.1* 3649.02 4384.00 4861.91 5575.97 30 Bảng 9 (tt). Các mức kích thích trung gian thứ nhất tạo ra sau dịch chuyển gamma sơ cấp từ phản ứng 152Sm(nth,γ)153Sm. 1170.8* 3660.16 4441.88 4898.69 1223.4* 3685.23 4457.15 4951.68 1322.3* 3688.4 4462.89 4991.27 1343.7* 3705.9 4477.31 5020.99 1362.4* 3708.62 4506.37 5025.31 1393.6* 3725.83 4518.12 5028.3 1399.7* 3757.34 4525.75 5041.38 1526.6* 3780.11 4562 5048.15 1557.4* 3830.38 4607.68 5105.08 Ghi chú: * Số liệu tham khảo từ Nuclear Data Sheets, số liệu có giá trị keV. VI. Mô tả mật độ mức của 172Yb và 153Sm theo mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược Mật độ mức của 172Yb và 153Sm được tính trên chương trình tính mật độ mức, chương trình cho phép nạp các tham số ban đầu từ file hoặc thay đổi các tham số theo yêu cầu của người sử dụng. Các kết quả tính hoặc hiệu chỉnh được thể hiện trực tiếp trên đồ thị cho phép người sử dụng tính và quan sát sự thay đổi của mật độ mức theo các giá trị tham số khác nhau nhanh chóng. Kết quả tính được lưu thành các tập tin cùng với các tham số đã được lựa chọn. Hình 11. Mật độ mức của 172Yb mô tả theo chương trình. 31 Hình 12. Mật độ mức của 153Sm mô tả theo chương trình. Bảng 10. Mật độ mức kích thích tạo nên do các dịch chuyển sơ cấp từ trạng thái Bn khi mô tả với nhiệt độ không đổi. 172Yb 153Sm Ex (MeV) ρ(Ex) ρ(Ex) 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 1.60E-01 7.63E-01 2.76E+00 8.53E+00 2.36E+01 6.05E+01 1.45E+02 3.32E+02 7.27E+02 1.53E+03 3.14E+03 6.24E+03 1.21E+04 2.30E+04 7.35E+00 2.14E+01 5.67E+01 1.40E+02 3.28E+02 7.32E+02 1.57E+03 3.26E+03 6.57E+03 1.29E+04 Tham số a=14.00; ∆=0.27; T=0.47; J=0; σ= 4.50 a=14.00 ∆=-1.01; T=0.55 J=1/2; σ=5.00 32 Bảng 11. Mật độ mức kích thích tạo nên do các dịch chuyển sơ cấp từ trạng thái Bn của 172Yb khi mô tả theo mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược. a ∆ T σ Ex ρ 17.3 0.27 0.3 0.699 1 5.14E+01 17.3 0.27 0.3 0.772 1.25 1.12E+02 17.3 0.27 0.3 0.838 1.5 2.30E+02 17.3 0.27 0.3 0.899 1.75 4.45E+02 17.3 0.27 0.4 0.955 2 8.30E+02 17.3 0.27 0.4 1.008 2.25 1.49E+03 17.3 0.27 0.4 1.058 2.5 2.62E+03 17.3 0.27 0.4 1.106 2.75 4.48E+03 17.3 0.27 0.4 1.152 3 7.50E+03 17.3 0.27 0.5 1.195 3.25 1.23E+04 17.3 0.27 0.5 1.237 3.5 2.00E+04 17.3 0.27 0.5 1.278 3.75 3.18E+04 17.3 0.27 0.5 1.317 4 5.01E+04 17.3 0.27 0.5 1.356 4.25 7.78E+04 17.3 0.27 0.5 1.393 4.5 1.19E+05 17.3 0.27 0.6 1.429 4.75 1.82E+05 17.3 0.27 0.6 1.464 5 2.74E+05 17.3 0.27 0.6 1.498 5.25 4.08E+05 17.3 0.27 0.6 1.531 5.5 6.04E+05 17.3 0.27 0.6 1.564 5.75 8.87E+05 17.3 0.27 0.6 1.596 6 1.29E+06 17.3 0.27 0.6 1.627 6.25 1.87E+06 17.3 0.27 0.6 1.658 6.5 2.69E+06 17.3 0.27 0.7 1.688 6.75 3.85E+06 17.3 0.27 0.7 1.717 7 5.47E+06 17.3 0.27 0.7 1.746 7.25 7.72E+06 17.3 0.27 0.7 1.775 7.5 1.09E+07 17.3 0.27 0.7 1.803 7.75 1.52E+07 17.3 0.27 0.7 1.831 8 2.11E+07 Bảng 12. Mật độ mức kích thích tạo nên do các dịch chuyển sơ cấp từ trạng thái Bn của 153Sm khi mô tả theo mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược. a ∆ T σ Ex ρ 16.69 -1.01 0.3 0.635 1 5.46E+02 16.69 -1.01 0.3 0.701 1.25 1.39E+03 16.69 -1.01 0.3 0.76 1.5 3.04E+03 16.69 -1.01 0.4 0.815 1.75 6.07E+03 16.69 -1.01 0.4 0.866 2 1.14E+04 16.69 -1.01 0.4 0.914 2.25 2.04E+04 16.69 -1.01 0.4 0.96 2.5 3.52E+04 16.69 -1.01 0.4 1.003 2.75 5.90E+04 16.69 -1.01 0.5 1.044 3 9.67E+04 16.69 -1.01 0.5 1.084 3.25 1.55E+05 33 Bảng 12 (tt). Mật độ mức kích thích tạo nên do các dịch chuyển sơ cấp từ trạng thái Bn của 153Sm khi mô tả theo mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược. a ∆ T σ Ex ρ 16.69 -1.01 0.5 1.122 3.5 2.45E+05 16.69 -1.01 0.5 1.159 3.75 3.80E+05 16.69 -1.01 0.5 1.194 4 5.82E+05 16.69 -1.01 0.5 1.229 4.25 8.80E+05 16.69 -1.01 0.6 1.262 4.5 1.32E+06 16.69 -1.01 0.6 1.295 4.75 1.95E+06 16.69 -1.01 0.6 1.327 5 2.87E+06 16.69 -1.01 0.6 1.358 5.25 4.17E+06 16.69 -1.01 0.6 1.388 5.5 6.03E+06 16.69 -1.01 0.6 1.418 5.75 8.65E+06 16.69 -1.01 0.6 1.447 6 1.23E+07 VII. Làm khớp tham số mật độ mức Để mô tả số liệu thực nghiệm theo mẫu lý thuyết, phương pháp khớp bình phương tối thiểu đã được sử dụng. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp như sau: Giả sử ta thu được một tập số liệu thực nghiệm ứng với các giá trị độc lập (x1, x2, x3, …) là các giá trị phụ thuộc (y1, y2, y3, …). Biểu thức toán học mô tả sự phụ thuộc của các đại lượng theo mẫu lý thuyết có dạng: y1=f1(x1, x2, x3,…; p1, p2, p3, …) y2=f2(x1, x2, x3,…; p1, p2, p3, …) y3=f3(x1, x2, x3,…; p1, p2, p3, …) Thông thường các mẫu lý thuyết thường phụ thuộc vào nhiều tham số p1,p2,p3,… Ta cần xác định các tham số này để có sự mô tả tốt nhất các số liệu thực nghiệm. Tổng bình phương độ lệch chuẩn giữa giá trị mô tả theo hàm lý thuyết và thực nghiệm được mô tả dưới dạng: ( ) ( )[ ]22121212 ,...,,...;,1,..., ∑∑ −−= i iijij jieff ppxxfjypnpp ωχ Trong đó: yji là giá trị thực nghiệm, neff là số điểm thực nghiệm, ωji là trọng số của từng điểm thực nghiệm. Khi sử dụng phương pháp không trọng số ωji=1, 34 khi có trọng số trong đó σ là độ lệch chuẩn của thiết bị đo, p là số tham số cần xác định, nếu sử dụng phương pháp thống kê 2/1 jiji σω = jiji y/1=ω . Trong trường hợp chỉ có một biến độc lập: y=f(x; p1, p2, p3, …) Biểu thức χ2 có dạng đơn giản như sau: ( ) ( )[ ]221212 ,...,;1,..., ∑ −−= i iiieff ppxfypnpp ωχ Ở đây ta thay f bằng công thức tính mật độ mức lý thuyết. Để thu được giá trị của các tham số cần tính các đạo hàm riêng phần theo các biến phụ thuộc để thu được hệ các phương trình đại số theo theo các biến. Giải các hệ phương trình này theo phương pháp giải số gần đúng ta thu được các tham số mô tả mật độ mức cho từng hạt nhân cụ thể. Mật độ mức của 172Yb với J=0+ 2 3 4 5 6 7 8 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 E x p e r im e n t G i lb e r _ C a m e r o n f i t o f C o u n t1 _ B S h if te d F e r m i f i t o f C o u n t1 _ B ρ(E x) /M eV M e V Y b 1 7 2 J = 0 Hình 13. Đồ thị biểu diễn mật độ mức thực nghiệm và tính theo các mẫu lý thuyết của 172Yb, đường nét đứt làm khớp theo mẫu nhiệt độ không đổi, đường nét liền làm khớp tham số a theo mẫu khí Fermi dịch chyển ngược. 35 2 3 4 5 6 7 8 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 J = 0 E x p e r i m e n t G i l b e r _ C a m e r o n f i t o f C o u n t 1 _ B S h i f t e d F e r m i f i t o f C o u n t 1 _ B ρ(E x) /M eV M e V Y b 1 7 2 Hình 14. Đồ thị biểu diễn mật độ mức thực nghiệm và tính theo các mẫu lý thuyết của 172Yb, đường nét liền làm khớp theo mẫu nhiệt độ không đổi, đường nét đứt làm khớp các tham số theo mẫu khí Fermi dịch chyển ngược. Bảng 13. Các giá trị tham số mô tả mật độ mức thu được từ quá trình làm khớp thực nghiệm của 172Yb với J=0+. Làm khớp theo mẫu nhiệt độ không đổi Làm khớp tham số a theo mẫu Fermi dịch chuyển ngược Làm khớp các tham số theo mẫu Fermi dịch chuyển ngược χ2 r2 ---------------------------- 1.70 0.968 ---------------------------- Parameter Value Error T 1.324 0.133 U0 1.113 0.529 ---------------------------- χ2 r2 ---------------------------------------- 6.77 0.854 ---------------------------------------- Parameter Value Error ---------------------------------------- J 0 0 a 8.639 0.127 ∆ 0.27 0 σ 4.50 0 T 0.475 0 χ2 r2 ------------------------------------ 2.23982 0.97254 ------------------------------------ Parameter Value Error ------------------------------------ J 0 0 a 4.333 5.077 ∆ 1.151 4.530 σ 1.151 3.514 T -0.555 3.656 Mật độ mức của 153Sm với J=(1/2)+ 36 0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 J=1/2 ρ(E x) /M eV Experim ent ShiftedFerm i fit of Count2_Experim ent G ilber_Cam eron fit of Count2_Experim ent M eV Sm 153 Hình 15. Đồ thị biểu diễn mật độ mức thực nghiệm và tính theo các mẫu lý thuyết của 153Sm, đường nét đứt làm khớp theo mẫu nhiệt độ không đổi, đường nét liền làm khớp các tham số theo mẫu khí Fermi dịch chyển ngược. Bảng 14. Các giá trị tham số mô tả mật độ mức thu được từ quá trình làm khớp thực nghiệm của 153Sm với J=(1/2)+. Làm khớp các tham số mật độ mức theo mẫu Fermi dịch chuyển ngược Làm khớp theo công thức nhiệt độ không đổi χ2 r2 5.55809 0.89599 ---------------------------------------- Parameter Value Error ---------------------------------------- J 0.5 0 a 1.331 433 ∆ -13.36 22211 σ 1.22 600 T 9.99 143875 χ2 = 3.51977 r2 = 0.89023 ---------------------------------------- Parameter Value Error ---------------------------------------- T 4.26 0.736 U0 -14.08 3.986 Các kết quả khớp cho thấy mẫu khí Fermi có dịch chuyển ngược và mẫu nhiệt độ không đổi mô tả mật độ mức của 153Sm khá phù hợp với thực nghiệm trong vùng 3÷6 MeV và của 172Yb trong vùng từ 2÷6 MeV. Ngoài các vùng năng lượng trên cần phải có các mô tả khác hoặc có thể còn cần thêm các thông tin thực nghiệm chính xác về mật độ mức thực nghiệm trong các vùng năng lượng này. 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoàng Hữu Thư, Bài giảng về cấu trúc hạt nhân, Nhà xuất bản ĐH&THCN, Hà Nội 1972. [2]. Vương Hữu Tấn và các cộng sự, báo cáo đề tài khoa học công nghệ cấp bộ năm 2005-2006. [3]. A.V. Malyshev, Level Density and Structure of Atomic Nuclei (in Russian). (Atomizdat, Moscow 1969) [4]. A.V. Ignatyuk, Statistical Properties of Excited Atomic Nuclei (in Russian). (Energo atomizdat, Moscow 1983); Translated by IAEA, Report INDC-233(L) (IAEA Vienna 1985). [5]. A. Bohr, B. Mottelson, Nuclear Structure, vol 1 (Benjamin Inc., New York and Amsterdam, 1969). [6]. W Gelletly et al, The reaction 171Yb(n, γ)172Yb and the level scheme of 172Yb, J. Phys. G: Nucl. Phys. 11 1055-1085, 1985. [7]. Handbook for calculations of nuclear reaction data, IAEA-TECDOC-1034. [8]. Workshop on nuclear structure and decay data: theory and evaluation, INDC(NDS)-452, IAEA Nuclear Data Section, Vienna, Austria, November 2004. 38 Mục lục Trang MỞ ĐẦU 2 GIỚI THIỆU 3 XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ MỨC BẰNG THỰC NGHIỆM I. Đo các mức năng lượng kích thích 4 II. Sơ đồ mức thực nghiệm theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng 6 III. Khả năng xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ phân rã từ phản ứng (n,γ) 9 III. Đánh giá phân bố mật độ mức kích thích ρ và hàm lực photon k của các dịch chuyển nối tầng 10 IV. Sai số hệ thống trong việc xác định các tham số 11 MÔ TẢ MẬT ĐỘ MỨC I. Tình hình mô tả mật độ mức 13 II. Một số giá trị của tham số mật độ mức 18 XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ MỨC CỦA 172Yb VÀ 153Sm I. Mô tả thực nghiệm 23 II. Một số phổ thực nghiệm 24 III. Số liệu thực nghiệm đo trùng phùng gamma-gamma của 172Yb và 153Sm 25 IV. Mật độ mức thực nghiệm các trạng thái kích thích trung gian tạo ra sau dịch chuyển gamma sơ cấp của Sm153 và 172Yb theo phương pháp cộng biên độ các xung trùng phùng 27 V. Khả năng hoàn thiện sơ đồ phân rã và xác định mật độ mức thực nghiệm 28 VI. Mô tả mật độ mức của 172Yb và 153Sm theo mẫu khí Fermi dịch chuyển ngược 31 VII. Làm khớp tham số mật độ mức 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 39