(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu cấu trúc bong bóng trong hạt nhân 54ca

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC BÓNG TRONG HẠT NHÂN Thuộc nhóm ngành khoa học: Vật Lý Hạt Nhân TP Hồ Chí Minh - Năm 2020 54 Ca BONG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC BONG BÓNG TRONG HẠT NHÂN 54 Ca Thuộc nhóm ngành khoa học: Vật Lý Hạt Nhân SV thực hiện: Lê Ngọc Uyên Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: K42.SP.LyA, Khoa Vật Lý Ngành học: Sư Phạm Vật Lý Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Nguyễn Thành Vinh Xác nhận cán hướng dẫn khoa học Xác nhận phản biện TP Hồ Chí Minh - Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiên cứu Khoa Vật Lý – Đại học Sư Phạm TPHCM, nhận nhiều giúp đỡ động viên từ thầy cơ, gia đình bạn bè Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Các thành viên gia đình ln quan tâm, ủng hộ mặt tinh thần, tạo nên nguồn động lực để phấn đấu trình học tập trường đại học bền chí xun suốt q trình thực khóa luận PGS.TS Nguyễn Quang Hưng (Viện Nghiên cứu Khoa học Ứng dụng) Thầy, Cô giảng viên Khoa Vật Lý trường Đại học Sư Phạm TPHCM tận tâm dẫn nhiệt tình trình giảng dạy kiến thức nghiên cứu khoa học giúp tơi lĩnh hội kiến thức học thuật kĩ nghiên cứu môi trường NCKH chuyên nghiệp TS Phạm Nguyễn Thành Vinh Th.S Lê Tấn Phúc, đồng hướng dẫn khoa học, tận tâm cố vấn mặt nội dung kiến thức, định hướng nghiên cứu kĩ thuật tính tốn lập trình, dẫn dắt tơi từ ngày thực nghiên cứu khoa học, giúp phát triển thân tư học thuật thái độ làm việc có trách nhiệm, giờ, tận tình đọc luận văn góp ý để tơi hồn thiện khóa luận tốt nghiệp cách tốt Các thành viên nhóm AMO Group – Đại học Sư Phạm TPHCM quan tâm giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu khoa học từ năm thứ hai đến TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2020 Sinh viên Lê Ngọc Uyên MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc bong bóng 1.2 Hạt nhân 54 Ca 11 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT 14 2.1 Trường trung bình Hartree-Fock kết hợp với Skyrme 14 2.1.1 Trường trung bình Hartree-Fock 14 2.1.2 Tương tác Skyrme hiệu dụng 15 2.1.3 Một số tương tác Skyrme thông dụng 16 2.2 Hiệu ứng kết cặp hạt nhân 17 2.2.1 Lời giải xác tốn kết cặp 19 2.3 Phương pháp trường trung bình Hartree-Fock kết hợp với lời giải xác tốn kết cặp 22 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Cấu trúc hạt nhân 54 3.2 Cấu trúc hạt nhân 54 Ca T=0 26 Ca T > 28 3.2.1 Khe lượng kết cặp 28 3.2.2 Bán kính proton neutron 54 Ca 30 3.2.3 Phân bố mật độ proton neutron theo bán kính 31 3.2.4 Độ sụt giảm mật độ hạt nhân 33 KẾT LUẬN 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH Hàm sóng đơn hạt proton hạt nhân HÌNH Mật độ proton hai hạt nhân 34 HÌNH Minh họa phân bố neutron Si 34 Si .9 36 S 10 54 Ca theo mức lượng 11 54 HÌNH Minh họa phân bố neutron Ca theo mức lượng có đảo mức .12 HÌNH Cấu hình khơng gian rút gọn tính tốn EP 23 HÌNH Cấu trúc thuật tốn quy trình giải tự hợp sử dụng phương pháp HF kết hợp với EP 24 54 HÌNH Mật độ proton hạt nhân Ca thu từ phương pháp HF, FTEP HFB nhiệt độ 27 54 HÌNH Mật độ neutron hạt nhân Ca thu từ phương pháp HF, FTEP HFB nhiệt độ 27 54 HÌNH Khe lượng kết cặp neutron hạt nhân Ca thu từ phương pháp FTEP nhiệt độ hữu hạn .29 54 HÌNH 10 Bán kính proton neutron hạt nhân Ca thu từ tính tốn FTEP nhiệt độ hữu hạn 30 54 HÌNH 11 Mật độ neutron hạt nhân Ca nhiệt độ hữu hạn thu từ phương pháp FTEP 31 54 HÌNH 12 Mật độ proton hạt nhân Ca nhiệt độ hữu hạn thu từ phương pháp FTEP 32 HÌNH 13 Độ sụt giảm mật độ neutron hạt nhân 54 Ca theo nhiệt độ 34 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Hartree-Fock mean field HF Trường Trung bình Hartree-Fock Exact pairing EP Lời giải xác tốn kết cặp Bardeen-Cooper-Shrieffer theory Hartree-Fock-Bogoliubov method BCS HFB Lý thuyết Bardeen-Cooper-Shrieffer Phương pháp trường trung bình Bogoliubov Root-mean-square radii r.m.s Bán kính qn phương Independent-particle model IPM Mẫu đơn hạt độc lập DANH SÁCH BẢNG Bảng Một số lực Skyrme thông dụng 15 54 Bảng Năng lượng liên kết riêng bán kính hạt nhân Ca thu từ phương pháp HF FTEP nhiệt độ 25 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Hạt nhân nguyên tử hệ nhiều hạt (many-body system) gồm proton neutron liên kết với lực tương tác mạnh Việc nghiên cứu cấu trúc hạt nhân giúp làm sáng tỏ nhiều vấn đề quan trọng trình hạt nhân xảy tự nhiên (trên trái đất vũ trụ), phản ứng hạt nhân nhân tạo làm tiền đề cho ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào công nghiệp đời sống Trong nghiên cứu cấu trúc hạt nhân, hướng nghiên cứu phân bố nucleon hạt nhân hướng quan trọng Hướng nghiên cứu giúp ta mơ hình hóa cách rõ ràng hình dạng cấu trúc hạt nhân thơng qua biểu diễn mật độ nucleon Đại lượng mật độ nucleon (gồm mật độ proton neutron) tính tốn thơng qua hàm sóng đơn hạt hạt nhân Thơng thường, mật độ nucleon cực đại tâm hạt nhân (r=0) giảm dần bán kính tăng Tuy nhiên số hạt nhân đặc biệt, mật độ nucleon bị sụt giảm tâm Cụ thể là, mật độ hạt nhân cực đại không xuất r=0 mà vị trí bên ngồi tâm (trong khoảng 1-4 fm) Cấu trúc mật độ nucleon đặc biệt gọi cấu trúc bong bóng (bubble structure) Cấu trúc đề cập đến lần H A Wilson vào năm 1946 ông sử dụng dao động cổ điển lớp vỏ cầu hạt nhân để mơ tả trạng thái kích thích thấp (low-lying excited state) hạt nhân cầu [1] Cho đến năm 1970-1973, nhóm nghiên cứu Wong [2,3], Campi Sprung [4] thực tính tốn vi mơ cho cấu trúc “bong bóng” hạt nhân Từ đến nay, có nhiều nghiên cứu cấu trúc [5-12], điển cấu trúc bong bóng hạt nhân tiêu biểu 34 Si 22 O [7,9,11] Hiện nay, lý thuyết hạt nhân đại lý giải hình thành cấu trúc bong bóng khơng chiếm đóng quỹ đạo s nucleon [11,12] Lý hàm sóng s hàm sóng có đỉnh cực đại vị trí tâm hạt nhân đóng góp vào vị trí r=0 phân bố mật độ hạt nhân Do việc khơng chiếm đóng mức s làm cho đóng góp hàm sóng vào mật độ bị bỏ qua Điều làm giảm mật độ hạt nhân tâm gây cấu trúc bong bóng Các nghiên cứu cấu trúc bong bóng trước năm 2017 nghiên cứu lý thuyết túy Vào năm 2017, lần người đo giá trị bé số chiếm đóng tồn phần (occupancy) mức 2s1/2 hạt nhân 34 Si [13] Đây chứng thực nghiệm cho thấy cấu trúc bong bóng tiên đốn lý thuyết có tồn phân bố mật độ proton hạt nhân Từ đến nay, hương nghiên cứu cấu trúc bong bóng dần sơi động trở lại cộng đồng nghiên cứu hạt nhân lý thuyết [10-12] Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu hình thành phát triển nhóm Vật Lý Hạt Nhân trường Đại Học Duy Tân (cơ sở TP HCM) mà đứng đầu PGS TS Nguyễn Quang Hưng cộng Gần đây, nhóm vừa cơng bố kết nghiên cứu cấu trúc “bong bóng” hạt nhân 22 34 O Si sử dụng trường trung bình Hartree-Fock (HF) có tính đến hiệu ứng kết cặp hạt nhân nhiệt độ nhiệt độ hữu hạn [11] Nghiên cứu lần khảo sát thay đổi cấu trúc bong bóng theo nhiệt độ đánh giá tồn cấu trúc nhiệt độ hữu hạn Đây tiền đề để phát triển nghiên cứu cấu trúc bong bóng nhiệt độ hữu hạn [12,14-16] Mặt khác, nghiên cứu hạt nhân giàu neutron xa đường bền 48 Si [17-19] 54 Ca [20,21] hướng nghiên cứu có ảnh hưởng lớn, nhằm khám phá số magic 14 34 [19,20] Dựa kế thừa hướng nghiên cứu cấu trúc bong bóng hạt nhân nhiệt độ hữu hạn [11] tầm quan trọng nghiên cứu cấu trúc hạt nhân giàu neutron xa đường bền, khn khổ khóa luận, tơi nghiên cứu cấu trúc mật độ nucleon hạt nhân magic kép giàu neutron xa đường bền 54 Ca Đây hạt nhân đặc biệt, có lớp vỏ proton Z=20 lớp vỏ magic truyền thống số neutron N=34 cho số magic hạt nhân xa đường bền chưa có nhiều liệu thực nghiệm tính tốn lý thuyết hạt nhân [20] Hơn nữa, với 34 neutron, hạt nhân 54 Ca trống phân lớp neutron 3s1/2 Đây sở tồn cấu trúc bong bóng mật độ neutron 54 Ca Cấu trúc bong bóng hạt nhân nghiên cứu thơng qua cách tính tốn mật độ nucleon hạt nhân Các tính tốn thực dựa việc giải phương trình HF trường trung bình hạt nhân, chi tiết cụ thể trình bày phần bên Trong khn khổ khóa luận, cấu trúc bong bóng hạt nhân 54 Ca se khảo sát nhiệt độ nhiệt độ hữu hạn có xét đến tương tác cặp nucleon thông qua phương pháp trường trung bình Hartree-Fock kết hợp lời giải xác toán kết cặp hạt nhân (Exact pairing, viết tắt EP)