Реакции с тяжелыми ионами

Реакции с тяжёлыми ионами представляют собой особый класс ядерных взаимодействий, в которых сталкиваются два тяжёлых ядра — как правило, с массовыми числами больше 4. Эти процессы существенно отличаются от реакций с лёгкими частицами (протонами, дейтронами, альфа-частицами), поскольку сопровождаются более сложной динамикой, большим переносом энергии и углового момента, а также возможностью синтеза новых элементов.

Реакции с тяжёлыми ионами применяются в ядерной физике высоких энергий, в физике сверхтяжёлых элементов, в исследовании фазового перехода ядерного вещества и изучении уравнения состояния ядерной материи.

Энергетические режимы и механизмы взаимодействия

В зависимости от энергии налетающего иона по отношению к кулоновскому барьеру выделяют несколько режимов взаимодействия:

  • Подбарьерный режим (E < V_C): реакция возможна только за счёт туннелирования. Вероятность взаимодействия резко падает.
  • Барьерный и околобарьерный режим (E ≈ V_C): наиболее благоприятные условия для образования составного ядра.
  • Сверхбарьерный режим (E >> V_C): происходит глубокое проникновение ядер друг в друга, формирование высокоэнергетического компаунда и, часто, его мгновенное разрушение.

Важные механизмы:

  • Слияние (Fusion) — образование составного ядра, которое может перейти в состояние равновесия и далее испарять нуклоны или распадаться.
  • Квазидиперсионные процессы (Deep Inelastic Collisions) — значительный обмен массой и энергией между ядрами без образования составного ядра.
  • Многофрагментация — при высоких энергиях ядро разрушается на множество фрагментов, аналогично жидкостно-газовому переходу.

Кинематика и угловые распределения

В реакциях с тяжёлыми ионами особенно важно учитывать:

  • Центр масс: масса системы может быть сравнима с массами реагентов, и энергия в системе центра масс существенно влияет на распределения.
  • Большой угловой момент (ℓ): высокие значения ℓ существенно влияют на вероятность проникновения через кулоновский барьер.
  • Ассиметрия системы: реакции между ядрами разной массы характеризуются ассиметричным распределением продуктов и переносом массы.

Образование составного ядра и его эволюция

Когда два тяжёлых ядра сталкиваются и их поверхности соприкасаются, возможна полная слияние — формирование составного ядра. Этот промежуточный объект:

  • Обладает очень высокой энергией возбуждения.
  • Имеет значительный угловой момент.
  • Может находиться в неравновесном состоянии в течение времени порядка 10⁻²¹ с.

Дальнейшая эволюция компаунда:

  1. Испарение частиц (нейтронов, протонов, альфа-частиц).
  2. Фиссия — деление составного ядра.
  3. Гигантские дипольные колебания, испускание гамма-квантов.

Квазизаселённые состояния и предэквилибриум

В реакциях тяжёлых ионов между стадией начального касания и образованием равновесного компаунда может существовать стадия предэквилибриумного состояния, характеризующаяся:

  • Частичным обменом нуклонами.
  • Анизотропией углового распределения.
  • Повышенной вероятностью испарения высокоэнергетических частиц.

Механизмы деления и многофрагментации

При высоких энергиях возбуждения и больших ℓ составное ядро может распасться не через испарение, а по более сложным схемам:

  • Фрагментация ядра — разрушение на два и более массивных осколка (асимметричное деление).
  • Многофрагментация — характерна для энергии возбуждения выше ~3–5 МэВ на нуклон; ядро ведёт себя как перегретая жидкость и распадается на 3–10 и более фрагментов.

Эти процессы являются проявлением коллективного поведения нуклонов и свидетельствуют о фазовых переходах в ядерной материи.

Роль углового момента и энергии возбуждения

Реакции тяжёлых ионов сопровождаются значительным переносом углового момента:

  • Это увеличивает вероятность деформации ядра.
  • Повышает вероятность асимметричного деления.
  • Изменяет спектр испарения частиц, так как часть энергии уходит на вращение.

Образование сверхтяжёлых элементов

Именно реакции с тяжёлыми ионами являются основным способом синтеза новых элементов с Z > 104:

  • Используются реакции между тяжёлыми стабильными или слаборадиоактивными ядрами.
  • Вероятность образования составного ядра резко падает с ростом Z.
  • Основная проблема — преодоление кулоновского отталкивания и подавление быстрой фиссии.

К примеру, элемент Z = 118 (оганесон) был получен в реакции:

²⁴⁹Cf + ⁴⁸Ca → ²⁹⁷Og + 3n

Исследование фазовых переходов в ядерной материи

Реакции тяжёлых ионов при энергиях порядка сотен МэВ на нуклон позволяют изучать переходы между фазами ядерного вещества:

  • Жидкость – газ: при многофрагментации.
  • Сверхплотные состояния: при столкновениях релятивистских ядер.
  • Появление кварк-глюонной плазмы — возможное при энергиях выше ~10 ГэВ на нуклон (например, в экспериментах на коллайдерах типа RHIC, LHC).

Экспериментальные методы и детекторы

Изучение реакций тяжёлых ионов требует комплексного подхода:

  • Детекторы частиц с большой площадью покрытия: 4π-геометрия для регистрации фрагментов.
  • Системы трекинга и временного разрешения: определение траекторий, идентификация зарядов и масс.
  • Калориметрия: измерение полной энергии реакции.
  • Масс-спектрометрия: используется при синтезе новых элементов.

Теоретические модели

Реакции тяжёлых ионов описываются с помощью сложных моделей:

  • Статистические модели компаунда: модель Больцмана, модель испарения.
  • Транспортные модели: BUU (Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck), QMD (Quantum Molecular Dynamics).
  • Гидродинамические модели: при описании сжатия и расширения ядерного вещества.
  • Модели термодинамического равновесия: при многофрагментации.

Применения

  1. Физика сверхтяжёлых элементов — расширение периодической таблицы.
  2. Ядерная астрофизика — моделирование ядерных процессов в сверхновых и нейтронных звёздах.
  3. Медицинская физика — ионная терапия с использованием тяжёлых ионов (например, углерода).
  4. Физика высоких плотностей энергии — подготовка к экспериментам с кварк-глюонной плазмой.
  5. Тестирование моделей сильного взаимодействия — изучение EoS (уравнения состояния) ядерного вещества.

Современные перспективы

Развитие источников тяжёлых ионов, таких как FAIR (Германия), NICA (Россия), FRIB (США), открывает новые возможности для:

  • Поиска новых стабильных островов сверхтяжёлых ядер.
  • Экспериментального подтверждения фазовых переходов в ядерной материи.
  • Изучения асимметричных ядерных систем.
  • Проверки фундаментальных симметрий и законов сохранения.

Технологическое совершенствование ускорителей, мишеней, детекторов и методов анализа данных позволит значительно углубить понимание природы сильного взаимодействия и структуры материи на фундаментальном уровне.

Оглавление