Бета-распад на связанное состояние атома Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.
Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)
Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β--распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния [H. Jung et al. Phys. Rev. Lett. 69 #15, 1992, p.2164]. Ядро 163Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163Dy стабильно. Его основное состояние (5/2+) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2+) ядра163Ho. Ядро 163Ho, окруженное электронной оболочкой,β--радиоактивно и его период полураспада составляет ~104 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163Ho и открывается возможность для распада 163Dy (рис. 3.2)
→ + e- + e.
(3.8)
Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид
→ + e- + e (в связанном состоянии).
Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 108 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β+-распада образовывались ядра (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а - ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy66+ и Ho67+, измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно
Так как ионы Ho66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy66+, они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy66+, накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho66+. Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·1012 атом/см2, диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho66+. Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho66+ базировались на том, что Ho66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163Ho66+ и в результате получался ион 163Ho67+. Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163Ho67+. На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163Dy ядер 163Ho явилось доказательством возможности распада
→ + e- + e (в связанном состоянии).
Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163Ho66+ к первичным 163Dy66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163Ho67+, зарегистрированный внутренним детектором
Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho66+, можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy66+. Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187Re75+. Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187Re имеют период полураспада 4·1010 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187Re75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.
