09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 1
Moderne Experimenteder Kernphysik
Wintersemester 2011/12
Vorlesung 15 – 09.01.2012
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 2
Deformierte KerneDeformierte Kerne
Nilssonmodell Nilssonmodell - deformiertes Schalenmodell -- deformiertes Schalenmodell -
RotationenRotationen
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 3
Deformierte Kerne – Parametrisierung der Oberfläche
sin2
1
cos
22
0
aa
a
• Entwicklung der Kernoberfläche nach Kugelflächenfunktionen (hier: nur Quadrupolterm) im Laborsystem• Wahl der Achsen des intrinsischen Koordinatensystems identisch zu den Hauptträgheitsachsen der Ladungsverteilung (a21 = a2-1 = 0)
– Quadrupoldeformation – Grad der Abweichung von axialer Deformation
03 γ0,β :triaxial
06 γ0,β :oblat
0 γ0,β :prolat
60 γ0,β :oblat0 γ0,β :prolat
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 4
Anisotroper harmonischer Oszillator
Deformation bricht sphärische Symmetrie!Wir gehen vom 3-dim sphärischen (isotropen) harmonischen Oszillator (x = y = z = 00) über zu einem anisotropen harmonischen Oszillator mit Axialsymmetrie um z-Achse (x = y z ):
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 80
2
4
6
8
10
V=
m/2
*2 x i2
xi
2222 yx 22zz
30 zyx
z
yx
3
20
3
10
1
1
z
6
13
27
1623
4000 1
95,0
222222
22zyx
m
mH z
Annahme: Kernmaterie ist inkompressibel ... Volumenerhaltung
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 5
Qualitative Folgerungen für Einteilchenorbitale
Nukleonen, die sich in der x-y-Ebene bewegen haben eine höhere Energie (steileres Potenzial) als solche, die sich in der z--Ebene (flacheres Potenzial) bewegen.
Einteilchenbild: Dies ist auch durch die kurzreichweitige anziehende NN-Wechselwirkung verständlich, da Orbitale in der z--Ebene mehr Überlapp mit der Dichteverteilung des prolaten Kerns haben und daher mehr angezogenwerden.
Dies bedeutet folgendes:• Aufspaltung der Einteilchenenergien
• Aufspaltung hängt von der Orientierung des Drehimpulses ab
• Aufspaltung hängt also von K, der Projektion von j auf die z-Achse, ab
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 6
Nilsson-Modell
Dies kann man auch schreiben als:
def
2022
0222
0
2
H
,5
4
3
4
Potential H.O.mit ellSchalenmod22
YrmLDSLCrm
mH
2222222
22LDSLCzyx
m
mH z
Hamiltonian
,ˆ20
22 YrQQuadrupoloperator
Schalenmodell mit einem anisotropen axialsymmetrischen harm. Oszi-Potenzial:
.... Störungsrechnung
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 7
Energien des deformierten harmonischen Oszillators
oblat prolat
Neue Schalenabschlüsse bei Achsenverhältnissen2:1 (Superdeformation) bzw. 3:1 (Hyperdeformation???)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 8
Klassifikation von Nilsson Orbitalen
Da H von unabhängig ist, sind die Projektionen von Bahndrehimpuls L und auch Spin S Erhaltungsgrößen
Im Nilsson-Modell werden die Eigenwerte von Lz und Sz mit und bezeichnet.
K
Die Eigenwerte des Nilsson-Hamiltonian werden für große Deformationen folgendermaßen bezeichnet:
zNnK
Für große Deformationen sind die Energien:• unabhängig von , da die Terme L•S und L2 vernachlässigbar sind• abhängig von nz
• unabhängig von K (im Gegensatz zum Verhalten bei kleinem )
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 9
Mittlere Deformationen
ACHTUNG: • Bis auf K sind die anderen Quantenzahlen nur näherungsweise gut bei großen
Deformationen.
• Da nur K und die Parität gute Quantenzahlen sind, verbietet das Pauli-Prinzip die Kreuzung von Orbitalen mit gleichem K.
• Daher kommt es zu vermiedenen Kreuzungen bzw. Zustandsabstoßung.
Im mittleren Deformationsbereich kann man die Wellenfunktionen und Energien nicht einfach annähern, sondern muss den Hamiltonian vollständig diagonalisieren!
zNnK
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 10
Nilsson Diagramm für N 20
Achtung,andere Nomenklatur!
[NnzK]
*
*
“Vermiedene Kreuzung”[110 1/2] und [101 1/2]bzw.[220 1/2] und [211 1/2]haben jeweils gleiche K-Quantenzahl und dürfensich daher nicht kreuzen.
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 11
Nilsson Diagramm für die 50-82 Schale
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 12
Nilsson Diagramm für die 82-126 Schale
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 13
Konfigurationsmischung
Die nichtdiagonalen Matrixelemente der Quadrupolwechselwirkung sind groß zwischen Zuständen, die sich im Drehimpuls j um 2 Einheiten unterscheiden und die die gleiche Spinrichtung haben.
Beispiele: 50-82 Schale:
d5/2 s1/2
g7/2 d3/2
2222202
1111 KjNYrKjN
Ein Intruderorbital mischt nicht!!
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 14
Die Ursache für Deformation - Konfigurationsmischung
2222202
1111 KjNYrKjN
Theoretische Untersuchungen zeigen:• pn Quadrupolwechselwirkung stark• pp und nn Quadrupolwechselwirkung erheblich schwächer
Proton-Neutron-Quadrupolwechselwirkung verursacht Deformation!!
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 15
Erweiterung des Modells der Einteilchenbewegung
H.O. + L2 + L•S
Nilsson Modell
Entartung
Quantenzahlen
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 16
Kernrotation
Phänomenologische Betrachtung
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 17
Programm
• Experimentelle Beobachtung ”Rotationsbanden” - Fusions-Evaporations-Reaktionen - Coulombanregung
Kern mit vielen Valenzprotonen und –neutronen ist deformiert (p-n Quadrupol-Restwechselwirkung)
• Phänomenologische Betrachtung der Kernrotation
• Kopplung an intrinsischen Zustand (Coriolis WW) Wie kann man das deformierte Schalenmodell testen? Betrachte Anregungen deformierter Kerne und suche nach
Hinweisen auf die Einteilchenstruktur, z.B. Effekte der Intruderorbitale
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 18
Kerneaktionen
Zeitskala in Sekunden
Lgr
“grazing collision”Kerne “streifen”sich gerade
L<Lkrit
Kerne fusionierenzu Compoundkern
Transfer,Knockout
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 19
Wirkungsquerschnitt für Kernreaktionen
Drehimpuls ist mit Stoßparameter b korreliert! L = b x p
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 20
Rotation in Fusionsreaktionen
Anregungsenergie und Drehimpuls wirdDurch Emission von Teilchen (Neutronen bevorzugt, da keine Coulombschwelle) und Gammaquantenabgegeben
Yrast – energetisch niedrigster Zustand bei gegebenen Drehimpuls
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 21
Berechnung von Wirkungsquerschnitten
Berechnung mit statistischem ModellVerwendung eines Monte Carlo Codes, z.B. PACE (im LISE-Paket)
(a) Kern wird gebildet mit Anregungsenergie E* und Drehimpuls L* (a1) Spaltung ODER (a2) Bildung von Compoundkern
Wenn (a2)(b) Energie/Drehimpuls verteilt sich auf Nukleonen in Compundkern (Thermalisierung)
Solange (E*>0, L*>0){(c) Emission eines Teilchens mit Energie E’ und Drehimpuls L’ Emissionswahrscheinlichkeit f(E’,L’,Barriere(?), Phasenraum, ...) E* = E* - E’ L = L* - L’ }
(d) Grundzustand ist erreicht
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 22
Wahl der Einschussenergie
124Sn(48Ca,xn)AYb
MeV192124
48124E
MeV5.138fm4.10
fmMeV44.15020
fm6fm1242.1)(
fm4.4fm482.1)(
Lab
221
3/1124
3/148
C
C
V
R
eZZV
SnR
CaR
Klassische Abschätzung:
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 23
Wirkungsquerschnitte in [mb] aus PACE-Rechnung
124Sn(48Ca,xn)AYb
200 180 160 170 190
A=169 0 3.7 0 14.5 0
A=168 17.9 241 0 204 88.6
A=167 329 200 0 18 447
A=166 390 0.9 0 0 75.2
A=165 5.7 0 0 0 0
Strahlenergie (Labor) in [MeV]
... 180 MeV ist optimal für 4n-Kanal (höchster Wirkungsquerschnitt).Bei 170 MeV ist der 4n-Kanal allerdings “sauberer” (weniger 5n-Reaktionen)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 24
Ausgabe PACE (I)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 25
Ausgabe PACE (II)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 26
Ausgabe PACE (III)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 27
Ausgabe PACE (IV)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 28
Typisches Rotationsspektrum
124Sn(48Ca,4n)168Yb
Gamma-Energie
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 29
Anregungsspektrum von 168Yb
Rotationsbanden
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 30
Anregungsspektrum von 168Yb
• Fragen:
- Rotationsbanden?
– Warum gibt es viele Rotationsbanden in 168Yb?
– Warum ist das Spektrum nicht das eines perfekten Rotors?
– Wie kann man das Nilsson Modell hiermit testen?
• Zunächst: –Betrachtung des idealen Rotors als Referenz
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 31
Ideale Rotationsspektren
2
1E
2
rot
JJQuantenmechanik:
3222
JJEJEE
.4
)2,2(2
constJJJJE
2E
2
rot
LKlassisch: : Trägheitsmoment
E2 192Hg
Konstante Differenz der Gammaenergien ist ein Hinweis auf Rotation!
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 32
Axialsymmetrischer Kern
Warum kann axialsymmetrischer Kern quantenmechanisch nicht um seine Symmetrieachse rotieren?
2
3
1
iRR
H mit2
3
1
2
rot
rotrot EH
Achse303
R
Axialsymmetriebedeutet:
... also, Rotation um Symmetrieachse mit keinem
Drehimpuls verbunden!
HamiltonianM
K=
I
J
R
3
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 33
Adiabatische Näherung
hintrinsiscχkollektivΦΨ
wwkoll HHHH int
=0 in adiabatischer Näherung
Die Adiabatenhypothese geht von folgender Annahme aus:
intkoll ωω
MeVMeVA
640
~3/1
MeV1
Durch die langsame kollektive Bewegung wird die intrinsische Bewegung nicht gestört!!
Annahme:
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 34
Wellenfunktion in Labor und intrinsischem System
• Quantisierungsache im intrinsischen System fällt mit der
Symmetrieachse zusammen:• intrinsischer Drehimpuls J mit Projektion auf
Symmetrieachse• Rotationsdrehimpuls R• Totaler Drehimpuls I = R + J
• Projektion von I auf intr. Quantisierungsachse: K• Projektion von I auf Quantisierungsachse im Labor: M
Gute Quantenzahlen: I, M, K
Struktur der Wellenfunktion:
,,,,*321
IMKIMK DIMK
IKeeeIMD zyz IiIiIiIMK
123321
,,*
M
K
I
J
R
z
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 35
Axial symmetrischer prolater gg-Kern
M
K=
I
J
R
18
12 * * K
IKM
KIK
IMK DD
IIMK
J=0, =K=0
0IMK für ungerade I
Nur Zustände mit geradem I möglich
Falls K0:
• minimales I = K• gerade und ungerade I: I = K, K+1, K+2, K+3 ...
Alle Nukleonen zu J=0 abgepaart,
also insgesamt intrinsisch J=0 (K=0)
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 36
Trägheitsmomente von Kernen
2220. 5
2 rigidflowirr AMR
Trägheitsmoment eines wirbelfreien flüssigen Rotationsellipsoiden („Oberflächenwelle“)
Trägheitsmoment eines starren Rotationsellipsoiden
0R
RR kurzlang 312
031 1
5
21 AMRKugelrigid
Trägheitmoment von Kernen liegt zwischen den betrachteten Extremen
Grund:PaarungsWW produziert superfluide Phase auskorrelierten Cooper-Paaren
Reale Kerne
Anschaulicher Vergleich: Rotation eines hartgekochten bzw. rohen Eis
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 37
Übergangswahrscheinlichkeit in Rotationsbande
Für einen axial symmetrischen Rotor:
fi IIEBE ,21022,11 59
fifi JJBc
ET
,!!12
1812
2
Reduzierte Übergangswahrscheinlichkeit
2
ˆ12
1, fi
ifi IMI
IIIB
Matrixelemente im Laborsystem hängen mit denen im intrinsischen System über die Drehmatrizen zusammen:
,2,2 int2 EMDEM lab
KYerKKIKIIKIEMKI fiifi 20
22012,2ˆ
Anfangs- und Endzustand haben gleiche intrinsische Struktur und damit gleiches K
~ Quadrupolmoment Q
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 38
Quadrupolmoment eines deformierten Kerns
KYerKeQkoll 202
5
16
222 002016
500,2 fifi IIQeIIEB
fi IIEBE ,21022,1
1 59
Zusammenhang zum Deformationsparameter
16,015
3 200 ZeReQ
Die Messung der Übergangswahrscheinlichkeiten (z.B. über Coulombanregung) oder der Lebensdauern von Rotationszuständen ergibt ein direktes Maß für die Deformation des rotierenden Kerns!!
09.01.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 15 39
B(E2)-Werte in einer Rotationsbande
Beispiel: Grundzustandsbande eines gg-Kerns (K=0)
222 002016
500,2 fifi IIQeIIEB
fi IIEBE ,21022,1
1 59
2 4 6 8 100,0
0,5
1,0
1,5
2,0
B(E
2;I -
> I-
2) /
B(E
2; 2
->
0)
I
8
3
•••
0,581680 80 2 0 10
0,573940 60 2 0 8
0,560970 40 2 0 6
0,534520 20 2 0 4
0,44721000 2 0 2
Clebsch-Gordan-
Koeffizienten