Лазерная спектроскопия ядер

Принципы лазерной спектроскопии в ядерной физике

Лазерная спектроскопия представляет собой высокочувствительный и избирательный метод изучения тонких структур ядер, основанный на взаимодействии лазерного излучения с атомами и ионами. Благодаря чрезвычайно узкой полосе генерации лазеров и высокой точности настройки частоты, данный метод позволяет исследовать гипертонкие и изотопические сдвиги энергетических уровней, определять ядерные спины, магнитные и квадрупольные моменты, а также деформации и распределения заряда в ядрах.

Метод особенно эффективен для исследования ядер, удалённых от линии стабильности, включая короткоживущие изотопы, которые невозможно изучать другими методами. Он также широко применяется в экспериментах на установках типа ISOL (Isotope Separator On-Line), где изучаются экзотические ядра, создаваемые в результате ядерных реакций и выделяемые из мишеней с последующей ионизацией.

Гипертонкое расщепление и изотопические сдвиги

Измерения с помощью лазерной спектроскопии позволяют выявлять тонкие эффекты, вызванные взаимодействием ядра с электронной оболочкой. Основными проявлениями этих эффектов являются:

Изотопический сдвиг — изменение положения энергетических уровней атома при замене одного изотопа другим. Величина сдвига включает два вклада: масс-сдвиг (массовый эффект) и объемный сдвиг (поле ядра влияет на электронную плотность).
Гипертонкое расщепление — тонкая структура спектральных линий, обусловленная взаимодействием магнитного дипольного и электрического квадрупольного моментов ядра с внутренними магнитными и электрическими полями оболочки.

Измеряя эти величины, можно извлечь фундаментальную информацию о структуре ядра:

магнитный дипольный момент — отражает распределение ядерного магнетизма;
квадрупольный момент — характеризует деформацию ядерной формы;
изменение радиуса заряда — позволяет изучать распределение протонов и его эволюцию при удалении от стабильности.

Методики лазерной спектроскопии

Различают несколько подходов, в зависимости от состояния атома (нейтральный или ионизованный), способа детектирования и условий возбуждения:

Резонансная ионизационная спектроскопия (RIS) Является одним из самых чувствительных методов. Атомы ионизируются в результате поэтапного возбуждения с помощью двух или более лазеров. Полученные ионы регистрируются масс-спектрометром. Применяется для изучения крайне редких и короткоживущих изотопов, включая супертяжёлые элементы. Обеспечивает элементную и изотопическую избирательность, а также возможность селективного подавления фона.
Лазерная спектроскопия ионов в пучке (COLLAPS) Исследуется флуоресценция или резонансное излучение ионов, движущихся в пучке. Часто применяется в сочетании с охлаждением и замедлением ионного пучка, что повышает разрешающую способность и точность. Позволяет определять моменты ядер и распределения заряда с высокой точностью.
Лазерная спектроскопия нейтральных атомов в ловушках Атомы улавливаются в магнито-оптических ловушках (MOT) и охлаждаются до микрокельвинских температур. Это минимизирует доплеровское уширение спектральных линий. Применяется, например, для исследования β-задержки, угловых распределений вылетающих частиц, а также для измерения спинов и моментов с беспрецедентной точностью.
Двухфотонная спектроскопия и методы с доплеровским подавлением Позволяют добиться крайне высокого спектрального разрешения за счёт компенсации доплеровского уширения. Особенно полезны для тяжёлых ионов, где эффекты релятивистского движения становятся значительными.

Теоретические основы и извлечение ядерных характеристик

Для интерпретации экспериментальных данных необходимы тонкие теоретические модели, связывающие измеренные спектральные параметры с ядерными свойствами. Обычно используются следующие подходы:

Теория гипертонких взаимодействий — описывает связь между структурой ядра и наблюдаемым расщеплением уровней.
Модель сферического и деформированного ядра — позволяет анализировать квадрупольные моменты и форму распределения заряда.
Модификации релятивистской теории атома — важны при работе с тяжёлыми элементами, где электронные эффекты зависят от релятивистских поправок.

Точные вычисления электронных плотностей на ядре (т.н. контактная плотность) необходимы для количественного извлечения магнитных и электрических моментов.

Исследования ядер вдали от стабильности

Одним из наиважнейших применений лазерной спектроскопии в ядерной физике является изучение экзотических изотопов, в частности:

нейтронно-обогащённых ядер, находящихся за пределами капли стабильности;
борромеевых ядер, где ни одна из подсистем не является связанной;
ядер с изменяющимся магическим числом (появление “новых магических чисел”);
ядер с гало-структурами, где один или два нейтрона располагаются далеко от основного ядра.

Измерения изменений радиусов заряда в изотопических цепочках, таких как Ca, Ni, Sn, Pb и др., позволяют отслеживать эффект заполнения оболочек, появление новых подсоболочек и фазовых переходов в структуре ядра. Например, в цепочке изотопов кальция была впервые зафиксирована удивительно высокая стабильность радиуса заряда при переходе от ⁴⁸Ca к ⁵²Ca, что указывает на магический характер числа нейтронов 32.

Современные установки и эксперименты

Лазерная спектроскопия в настоящее время активно применяется на передовых установках, таких как:

ISOLDE (CERN) — ведущий источник экзотических ионов, где проводится программа COLLINaR и CRIS (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy);
TRIUMF (Канада) — установка с высокоэнергетическими пучками ионов и передовыми методами охлаждения;
RIKEN (Япония) — центр интенсивных пучков экзотических ядер;
FAIR (Германия) — будущая установка с уникальной интенсивностью и возможностью лазерных исследований в пучках.

В рамках этих проектов осуществляется прецизионное измерение ядерных характеристик, картирование формы ядер, изучение эволюции структуры оболочек и других фундаментальных свойств.

Будущие перспективы

Лазерная спектроскопия в ядерной физике представляет собой исключительно мощный инструмент для непрерывного расширения знаний о структуре материи. Благодаря сочетанию высокой чувствительности, избирательности и прецизионной точности, она позволяет получать информацию о самых редких и экзотических состояниях, открывая путь к проверке современных теорий сильного взаимодействия и ядерных моделей, в том числе на границах таблицы Менделеева.