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奇A核~(125)Cs高自旋态谱学研究

孙吉  
【摘要】:质量数A~125所在过渡区的原子核高自旋态谱学展示着许多有趣现象,诸如旋称反转、h11/2质子和h11/2中子的顺排竞争。长椭和扁椭形状共存、磁偶极带、帯终结、手征对称性破缺和八极关联等。为了深入理解这一系列核现象,大量可靠的实验数据是十分必要的。本次工作选取了过渡区的125Cs作为主要的研究目标,希望在获悉和分析125Cs高自旋态谱学的同时可以对包括奇A铯核在内的此核区的原子核结构获得更加深入详细的系统性认识。对于Z=55、N=70的目标核125Cs而言,其质子费米面位于h11/2子壳层底部,核芯因此受到长椭球形变驱动;与此相对应,中子费米面位于h11/2子壳层的中部,核芯会受到扁椭形变驱动。两种相反的形状驱动作用以及这个核区的γ“软”特性使得该区原子核的结构性质纷繁复杂,原子核可以因组态和自旋的不同而具有长椭、三轴以及扁椭的形状,这些相异的核形状可以在一个给定的原子核中共存。另外与三轴形变有关联的手征双重带也是这个核区引人关注的实验现象和研究课题,不但在临近的奇-奇Cs核中被系统性发现,在同为奇A核的129Cs中也有观测报道。集体转动是此区原子核所表现的重要运动模式。由于跃迁选择定则或跃迁能量的限制,靠近基态的转动带带首经常表现为具有相对较长寿命的同质异能态(isomer)。而这些同质异能态的向下退激跃迁一般表现为高内转换系数的高阶跃迁(例如M2、E3、M3、E4等)或极低能量(10 Me V)的跃迁,有些同质异能态甚至因为向下退激跃迁的高度禁戒而直接衰变至子核的基态或激发态。上述效应给转动带带首向下退激过程的实验观测造成了极大的挑战。而在125Cs中,尽管πg9/2和πh11/2带的带首能量已被前人的研究所确定甚至“证实”,但本论文工作将提供坚实可靠的实验证据推翻这些长期占据统治地位的基础核数据。πg7/2和πd5/2在此核区是一对能量上相互靠近的赝自旋轨道。通过大量的实验及理论研究,人们在此核区观测并建立了大量的基于它们的转动带,特别是建立了这些转动带的系统学规律。然而本论文工作给出了一种不同图像的组态指定方案,展示阐述了这种新方案的证据及合理性。本工作的实验利用在丹麦玻尔所的加速器、通过重离子熔合蒸发反应116Cd(14N,5n)布居了目标核125Cs的高自旋态。束流能量为65 Me V,并用Nordball探测阵列测量了实验过程中的γ射线。以这些γ射线的观测记录为基础,获得了一些新的实验结论以及物理认识。主要研究结果介绍如下:1.在纲图中新增了超过50条γ跃迁,拓展和修正了大部分原来已知的带结构,新增了多条带间连接跃迁把原来相互独立的带结构连接了起来,新观测建立了三条以上的带结构,从而建立起至目前为止最为完善的125Cs能级纲图。获取了γ射线相对强度以及角分布(Angular Distribution of Oriented nuclei,ADO)系数等γ射线的基本实验信息,并基于这些信息以及结合带结构等多方面信息对γ跃迁多极性进行了判定。2.以高激发能区所新建立的连接跃迁为基础,将带首为同质异能态的()πh11/2带与激发能已知的πg7/2带连接了起来,从而可靠而准确的确定了πh11/2带的带首能量,其值为294 ke V,与前人的结果相差达28 ke V之多。3.基于πg9/2组态的转动带带首并非同质异能态,尽管如此其退激路径很复杂,涉及了多个能量几乎高度重叠的γ跃迁以及它们之间符合关系的推定,以至于前人尽管有很好的实验统计性基础也或者建立了错误的退激路径,或者干脆不能建立退激路径。在本工作中,尽管实验统计性并非十分充足而未能建立三维矩阵,但我们通过二维矩阵的细致分析,理清了复杂的符合关系,成功建立了πg9/2带首的退激路径以及带首能量。这一新的纲图结构获得了多重实验证据的支持。4.在较高的激发能区域,前人建立了一条退耦结构的转动带,但未能建立其退激路径。与πg9/2带带首的确定逻辑类似,我们再次成功建立了此带(带4)的退激路径,为后续的组态指定及性质讨论等奠定了可靠的实验信息基础。5.在低自旋区,观测并建立了四条转动带,除去组态清晰的pg9/2带以外,另外三条带呈现?I=2的退耦结构(带1、2和3),并且它们相互之间存在少许连接跃迁。其中带1和带3为本工作首次建立。三条带的内禀组态应为πg7/2和πd5/2,这是基本的无争议的判断。然而三者之中具体哪两者构成旋称伙伴以及给定的带结构具体是基于πg7/2还是πd5/2,这些疑问的解决却异常艰难复杂,因为πg7/2[422]3/2+和πd5/2[420]1/2+是一对能量上相互靠近的Nilssion轨道,宇称相同性质相近。按照前人在此核区所建立的系统学规律,带2和带3应为一对旋称伙伴并基于πg7/2组态,而带1则为基于πd5/2组态的优惠旋称分支。在本论文工作中,我们从多方面对上述三条带的可能组态进行了论证,涉及旋称劈裂和能级结构的比较及其与相邻核的系统学比较、基于推转壳模型(Cranked shell model,CSM)的理论计算等多维度证据,最终给出了我们的组态指定的结论,即带1和带3是基于πg7/2组态的旋称伙伴,而带2是基于πd5/2组态的优惠旋称。这一指定方案与此核区的传统的系统学方案相违背。然而我们给出的论证更加自洽合理,我们也因此提出对此核区的相关组态指定方案进行重新的评判甚至修改。6.随着自旋的升高,基于πg7/2组态的带2发展成了两条分支,如同一棵大树分叉成两根树枝一样,其中一个分支呈现为?I=2的退耦结构(带4)而另一个分支呈现为?I=1的耦合结构(带5),并且两者也向基于πd5/2组态的带3退激。另外,带5为本工作首次建立。带4和带5的组态指定同样不是一蹴而就的事情。为了给出合理的组态指定,我们同样调动了多维度的实验及理论判据,涉及带结构的自身特征(旋称劈裂,退激方式等)、顺排行为(带交叉频率、顺排增量)、B(M1)/B(E2)值的实验提取及理论计算、基于总位能模型(Total Routhian Surface,TRS)对形变的计算、基于CSM对顺排和旋称劈裂行为的再现、系统学比较等等。最终我们认为,带4产生于一对h11/2质子的顺排、而带5则产生于一对h11/2中子的顺排,随着自旋的升高,带4在h11/2质子顺排后又相继发生了一对h11/2中子的顺排。与带4相关的原子核形变为长椭(γ=0°),带5的核形状则为近扁椭甚至扁椭(γ=-60°)。带4的长椭形变导致了其h11/2中子折对频率相对于带5的h11/2中子折对频率出现了明显的延迟。带4的长椭形变和带5的扁椭形变共存于125Cs的高自旋区,这种实验现象非常有价值,为原子核高自选区形状共存现象的研究提供了鲜见而有趣的实例。7.前人的研究工作对125Cs中一条高自旋区的高K带(带7)给出了不同的宇称指定以及组态指定。本论文工作提供了更加可靠丰富的实验信息,其有助于前述争议的区分,并支持了正宇称的ph11/2?νh11/2?νg7/2组态指定。在带7的旁边,我们证实了另一条与带7结构相似的高K带的存在(带8)。它是由8条M1跃迁构成的偶极跃迁带,其中只有三条与前人的报道结果重合,几乎可以被视为一个新带。这条带的主要退激方式是馈入主带7。基于新获知的带7和带8的实验值,我们认为二者很可能是一对手征双重带。这种判断获得了多方面证据的支持,主要包括两带彼此相似的B(M1)/B(E2)实验比值、旋称劈裂行为、顺排行为以及二者间能量近简并的实验观测。手征双重带反应着原子核的一种新的运动模式,即三轴形变下的手征运动。这种运动模式在此核区双奇核的ph11/2?νh11/2组态中有一些观测报道,但在此核区奇A核中则颇为罕见。125Cs中手征双重带的实验证据为该热点课题的理论研究提供了新颖的案例。8.此外,我们还获得了一些其它实验结果,例如向上和向下拓展了?h11/2带的一个伴带(带9)的结构,在丰富了125Cs核能级结构本身的同时,也为它的组态指定(γ振动或次晕?h11/2带)以及系统学研究提供了重要的实验数据基础。


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