李曼茜

（西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400715）

1 概述

集團(tuán)的概念跨越了許多的科學(xué)領(lǐng)域，集團(tuán)結(jié)構(gòu)又是組成物質(zhì)的一種特殊形式，比如從宏觀星系間的集團(tuán)，到微觀粒子間的集團(tuán)。但是在原子核物理中，原子核的核子之間仍然存在著集團(tuán)現(xiàn)象。早在中子發(fā)現(xiàn)前就已經(jīng)有人提出了原子核集團(tuán)結(jié)構(gòu)的概念。人們發(fā)現(xiàn)原子核的內(nèi)部存在著類似分子的集團(tuán)結(jié)構(gòu)，集團(tuán)結(jié)構(gòu)在核結(jié)構(gòu)、原子核和核反應(yīng)的激發(fā)中扮演著主要角色。通常來(lái)說(shuō)，集團(tuán)結(jié)構(gòu)可以提高原子核的結(jié)合能，讓原子核更加地穩(wěn)定，而對(duì)于原子核集團(tuán)結(jié)構(gòu)的研究描述可以使我們更加深刻的了解原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。眾所周知，質(zhì)子和中子構(gòu)成了原子核，由于質(zhì)子間存在庫(kù)侖斥勢(shì)，若核子間只受庫(kù)侖斥力的作用，質(zhì)子和中子就構(gòu)不成原子核。因此核子間還存在著吸引性質(zhì)的核力，核力是短程力，且作用效果比庫(kù)侖力強(qiáng)，這樣核子才能克服庫(kù)侖力的排斥作用形成原子核。但是在原子核內(nèi)部的核子的分布不均勻，呈現(xiàn)集團(tuán)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)原子核集團(tuán)現(xiàn)象的研究就可以更加了解原子核的性質(zhì)。

2 C 同位素的集團(tuán)結(jié)構(gòu)

Horiuchi 等應(yīng)用反對(duì)稱分子動(dòng)力學(xué)(Antisymmetrized Molecular Dynamics,簡(jiǎn)稱AMD）模型研究了輕豐中子核的集團(tuán)結(jié)構(gòu)[4-6]。AMD 模型的主要作用是處理核子與核子之間的Pauli不相容效應(yīng)。AMD 模型對(duì)輕核的基態(tài)和激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究是一種非常有用的理論方法。在AMD 的理論模型框架下，斯萊特行列式給出了體系的基態(tài)波函數(shù)，其中每一個(gè)單粒子波函數(shù)空間部分都是一個(gè)高斯波包。ADM模型系統(tǒng)的研究了隨著中子數(shù)增加和激發(fā)能增加核結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。價(jià)中子動(dòng)力學(xué)的作用既可以用簡(jiǎn)單的粘合效應(yīng)來(lái)提供核芯α 集團(tuán)的約束，而且當(dāng)中子占據(jù)σ 軌道的時(shí)候還可以加強(qiáng)α-α 的集團(tuán)結(jié)構(gòu)的形成。

Be 和C 同位素的分子集團(tuán)結(jié)構(gòu)[7,8]是由Itagaki 等應(yīng)用核分子軌道(MolecularOrbit,簡(jiǎn)稱MO)模型研究的。該模型分別引入了π 軌道和σ 軌道描述α 集團(tuán)周圍的價(jià)中子,如圖1 所示。價(jià)中子軌道平行于α-α(z 軸)稱作σ 軌道，垂直于α-α(z 軸)稱作π 軌道。在目前理論框架下,引入的每一個(gè)價(jià)中子軌道都有明確的Kπ 值。Be 同位素和C 同位素的價(jià)中子有3 個(gè)基本的軌道。通過(guò)2α 集團(tuán)周圍價(jià)中子占據(jù)的3 個(gè)基本軌道可以清晰描述10Be 所有的低階正宇稱和負(fù)宇稱態(tài)及12Be 基態(tài)。對(duì)于C同位素(A=12,14,16),3α 線性鏈態(tài)穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,兩個(gè)價(jià)中子占據(jù)π 軌道和兩個(gè)價(jià)中子占據(jù)σ 軌道的16C((3/2-)2(1/2-)2)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定16C 線性鏈態(tài)最重要的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)在較高的激發(fā)能區(qū)。

圖1 單價(jià)中子軌道示意圖

對(duì)于C 同位素有大量的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)可供研究，所以C 同位素對(duì)于檢驗(yàn)過(guò)去幾十年總結(jié)得出的完整激發(fā)能譜信息，可以提供很好的研究實(shí)例。科研人員都很關(guān)注在C 同位素中可能出現(xiàn)的鏈狀結(jié)構(gòu)和中心三角形結(jié)構(gòu)。其中，線性鏈狀結(jié)構(gòu)使在組成單元之間的庫(kù)倫排斥力變得最小。Itagaki 等人計(jì)算了14-16C 的對(duì)稱線性鏈狀結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。他們預(yù)言了純3α 粒子鏈狀結(jié)構(gòu)的彎曲模式。多余中子的共價(jià)約束分子圖像可以描述這種結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)16C 核的描述。然而，還需要對(duì)共價(jià)分子約束的想法更加認(rèn)真的考量，因?yàn)檫€存在相互作用。另外，更有研究預(yù)言了3α 鏈狀結(jié)構(gòu)在豐中子C 同位素中的存在。相關(guān)人員對(duì)14C 可能存在等邊三角形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。三體系統(tǒng)還可能形成三角形的結(jié)構(gòu)。而源于對(duì)13C 和14C 的實(shí)驗(yàn)研究，有了這種模型的基本結(jié)構(gòu)。

14C 集團(tuán)態(tài)的衰變性質(zhì)是用反對(duì)稱分子動(dòng)力學(xué)方法研究的。計(jì)算預(yù)測(cè)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)態(tài)直鏈配置有π-bond 和σ-bond 價(jià)中子。對(duì)于π-bond 線性鏈，計(jì)算的激發(fā)能量和α 衰變到基態(tài)的10Be 的寬度與通過(guò)α+ 10Be 共振散射觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理地一致。另一方面，σ-bond 線性鏈?zhǔn)歉呶恢C振態(tài)的結(jié)果據(jù)破碎反應(yīng)分析。它是發(fā)現(xiàn)σ-bond 直鏈不僅衰變到10Be 的激發(fā)帶，而且衰變到三體6He +α+α 的通道，這些衰變的分支比是可比的。 因此，這樣做特征衰變模式是線性鏈形成的強(qiáng)烈特征，是一個(gè)可以區(qū)分兩個(gè)不同的線性鏈的關(guān)鍵。

16C 的α 集群態(tài)也是用反對(duì)稱分子動(dòng)力學(xué)研究的。研究已經(jīng)表明有兩種不同類型的α 集群態(tài)存在：三角形和線性鏈態(tài)。前者有一個(gè)近似α 粒子等腰三角形配置的四價(jià)中子占領(lǐng)sd 殼包圍，而后者有線性對(duì)齊的α 粒子(sd) 2 (pf)中子。據(jù)發(fā)現(xiàn)直鏈結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是定性理解的3/2π 分子軌道和1/2σ 分子軌道預(yù)測(cè)模型，但是仍然存在不可忽視的10Be+α+2n 的相關(guān)性。三角形和線性鏈旋轉(zhuǎn)帶的帶頭能量分別為8.0 和15.5 MeV，后者接近于4He +12Be 和6He +10Be 閾值能量。

3 歸一化的能量刻度方法

對(duì)于大角度的探測(cè)單元的能量刻度一直是實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題. 我們想要尋找一種可以對(duì)探測(cè)器陣列中所有探測(cè)單元中的所有待測(cè)核素的刻度方法。多次利用本CsI(Tl)閃爍晶體探測(cè)器陣列進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 即便是待測(cè)束流中沒(méi)有4He 這個(gè)核素,探測(cè)系統(tǒng)中每個(gè)探測(cè)器單元上都存在清晰的4He 的反應(yīng)帶, 即使是在最偏遠(yuǎn)的探測(cè)單元上也是這樣。圖2、3 顯示的是9Li 碎裂反應(yīng)中靠近中心的第1 塊探測(cè)單元和大角度的1 塊探測(cè)單元上獲得的, 可以看出在兩個(gè)探測(cè)單元上只有4He 能夠同時(shí)清晰的顯示出來(lái)。4He 的產(chǎn)生來(lái)源比較復(fù)雜, 在每種原子核的不同反應(yīng)道中,4He 的產(chǎn)生截面都比較大. 多種核素的多種反應(yīng)機(jī)制產(chǎn)生了足夠多的4He 且能量分布范圍較大, 可以對(duì)每個(gè)探測(cè)單元進(jìn)行能量刻度。從目前所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中可以看出,陣列中所有探測(cè)單元上只有4He 這個(gè)核都有較清晰的反應(yīng)帶，我們可以考慮利用產(chǎn)生的4He 來(lái)作為不同核素在不同探測(cè)單元的能量刻度媒介。

圖2 第28 塊探測(cè)單元ΔE-CH 二維譜

圖3 第62 塊探測(cè)單元ΔE-CH 二維譜

利用這種方法不僅可以對(duì)待測(cè)束流中存在的核素在所有探測(cè)單元上進(jìn)行刻度, 同時(shí)還可以對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的核素在所有探測(cè)單元上進(jìn)行刻度，大大提高對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的利用率。

4 總結(jié)與展望

隨著如AMD,MO 和SMSO 等理論模型的不斷發(fā)展，人們對(duì)輕豐中子核的集團(tuán)結(jié)構(gòu)的物理圖像越來(lái)越清晰。而且隨著實(shí)驗(yàn)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，集團(tuán)結(jié)構(gòu)的研究也從Be 同位素的兩體擴(kuò)展到了C 同位素的三體。目前對(duì)于12C 到16C 集團(tuán)結(jié)構(gòu)都有不同程度的實(shí)驗(yàn)研究，而且大多對(duì)于14C 集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究都比較成熟，而對(duì)于17C 的實(shí)驗(yàn)理論研究還很缺乏，有待發(fā)掘和研究。