Các cộng hưởng khổng lồ đa cực khác nhau được khảo sát như các dạng dao động khác nhau của tất cả các nucleon, là mức biểu thị độ kích thích tập thể hạt nhân rõ nhất. Các đặc trưng sau đây là các đặc tính tiêu biểu của cộng hưởng khổng lồ:
- Các đặc trưng được quan sát thấy ở nhiều hạt nhân, là tính chất chung của chất hạt nhân.
- Phân bố cộng hưởng khổng lồ trên thang năng lượng kích thích hạt nhân biến thiên trơn theo sự thay đổi số khối A.
- Độ rộng của chúng rất lớn (vài MeV) và biến thiên
Theo quan điểm mẫu giọt hạt nhân, các cộng hưởng khổng lồ của các đa cực khác nhau thực chất là các dạng khác nhau của chuyển động tập thể của các nucleon bên trong hạt nhân.
Ví dụ, đối với cộng hưởng đơn cực là sự giãn nở đều và sự nén tiếp theo của hạt nhân; còn đối với cộng hưởng lưỡng cực thì đó là sự dịch chuyển của toàn bộ proton so với neutron,…
Theo quan điểm mẫu lớp hạt nhân, các cộng hưởng khổng lồ là phần liên kết lỗ trống của trạng thái kích thích đi kèm bởi quá trình hiệp biến của nhiều nucleon từ lớp bị lấp đầy, tương ứng với trạng thái cơ bản của hạt nhân sang các lớp khác còn những chỗ trống.
Loại cộng hưởng (lưỡng cực, tứ cực…) và đặc trưng điện hoặc từ của nó được xác định bởi sự thay đổi của mô men L và độ chẵn lẻ của hạt nhân.
- Cộng hưởng lưỡng cực E1 ( 1- ) :
Cộng hưởng khổng lồ đầu tiên được phát hiện vào năm 1947 trong các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của các bức xạ gamma.
Đối với nhiều hạt nhân, bắt đầu từ các hạt nhân nhẹ ( ) và kết thúc ở các hạt nhân nặng , và người ta đã tìm thấy độ rộng cực đại từ 3 MeV đến 10 MeV trong miền từ 20 MeV đến 25 MeV đối với các hạt nhân nhẹ, từ 17 MeV đến 19 MeV đối với các hạt nhân trung bình, và từ 13 MeV đến 15 MeV đối với các hạt nhân nặng.
Để giải thích điều này, vào thời điểm đó người ta đã nêu ra giả thuyết về cơ chế dịch chuyển của tất cả các proton trong hạt nhân so với toàn bộ neutron.
Cơ chế này dựa trên việc khi chiếu hạt nhân bởi chùm gamma có năng lượng 10 20 MeV, thì tất cả các proton trong hạt nhân chuyển về cùng một pha và dịch chuyển theo cùng một hướng dưới tác dụng của trường điện từ được sinh ra bởi các bức xạ gamma như Hình 4.
Hình 4 : Dịch chuyển các nucleon trong hạt nhân
Theo cách phân loại hiện nay, thì cộng hưởng khổng lồ này được gọi là cộng hưởng lưỡng cực điện khổng lồ giả vector.
Sở dĩ được gọi là giả vector vì các proton và neutron chuyển động ngược pha và dường như thay thế lẫn nhau (spin đồng vị của nucleon thay đổi theo một đơn vị, T 1 )
được gọi là điện vì các hạt có spin up và spin down chuyển động cùng pha (spin của nucleon không bị thay đổi S 0 ).
Vị trí của cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ gi vector trên thang năng lượng kích thích là W (MeV).
Đối với các hạt nhân nặng được biểu diễn qua công thức:
W = 78A-1/3 , trong đó A là số khối.
Công thức tính W gồm hai thành phần sẽ phù hợp hơn cho vùng thay đổi số khối rộng:
W = ( 31,2A-1/3 + 20,6A-1/6 ) Ở đây năng lượng W được đo bằng MeV.
- Cộng hưởng tứ cực E2 (2+ ):
Năm 1971, lần đầu tiên người ta phát hiện ra một dạng chuyển động tập thể khác của hạt nhân - cộng hưởng tứ cực khổng lồ “giả vô hướng”. Mô hình loại cộng hưởng này được minh họa trên ( Hình
4 ).Tên gọi giả vô hướng có nghĩa là n và p dao động cùng pha, tức là không dẫn tới sự thay
đổi spin đồng vị (T = 0). Hình 4 : Cộng hưởng khổng lồ Gamow – Teller
Cộng hưởng khổng lồ tứ cực được phát hiện lần đầu tiên khi nghiên cứu tán xạ không đàn hồi của proton.
Trong các thí nghiệm này, người ta nhận thấy rằng, ngoài cực đại tương ứng với cộng hưởng khổng lồ lưỡng cực, còn xuất hiện một cộng hưởng có mức năng lượng nhỏ hơn, sau khi đo phân bố góc người ta thấy nó như tứ cực.
Nghiên cứu cộng hưởng tứ cực khổng lồ được thực hiện nhờ
phản ứng tán xạ không đàn hồi của hạt alpha có năng lượng 96 MeV lên hạt nhân có A nằm trong khoảng 14 A 208.
Đối với tất cả các hạt nhân đã được nghiên cứu, người ta nhận thấy bề rộng cực đại khi năng lượng kích thích (MeV) bằng:
W = 63A-1/3
Phân bố góc của các hạt alpha tán xạ tương ứng với cực đại là L = 2. Bề rộng cực đại giảm từ 6 MeV khi A = 60 xuống 3
- Cộng hưởng bát cực E3 ( 3- ) :
Cộng hưởng bát cực năng lượng thấp giả vô hướng 3- có từ 1 MeV đến 2 MeV được quan sát thấy ở nhiều hạt nhân trong vùng 66 A 200. Đối với loại cộng hưởng này thì năng lượng kích thích (MeV) như sau.
W = 30A-1/3
Với độ tin cậy thấp hơn, người ta cũng đã chứng minh được sự tồn tại của cộng hưởng bát cực giả vector ở vùng năng lượng cao. Đối với loại cộng hưởng này thì W (MeV) bằng :
W = 110A-1/3
Độ rộng được nghiên cứu trên một số hạt nhân là từ 6 MeV đến 7 MeV.
- Cộng hưởng đơn cực :
Năm 1975, khi nghiên cứu phổ tán xạ không đàn hồi của deutreri năng lượng 80 MeV lên các bia 40Ca, 90Zr, 208Pb và so sánh chúng với phổ tán xạ không đàn hồi của các hạt alpha có năng lượng 96 MeV. Kết quả cho thấy, sự tồn tại của cộng hưởng giả vô hướng kiểu đơn cực (E0, T =0) khi năng lượng kích thích cỡ MeV.
W = 80A-1/3
Năm 1977, các bằng chứng về loại cộng hưởng này nhận được khi nghiên cứu tán xạ không đàn hồi của các hạt alpha trên chì. Các nghiên cứu này đã cho thấy sự đóng góp vào tiết diện khi W = 80A-1/3 Và W = 63A-1/3 MeV (cộng hưởng
Do phản ứng tán xạ không đàn hồi của các hạt alpha xảy ra với xác suất nhỏ khi T = 1 , nên đa cực mới này phải là giả vô hướng.
Vì bức xạ điện từ là sóng ngang, nên cộng hưởng đơn cực khổng lồ không bị gây kích thích bởi bức xạ gamma.
Để kích thích chúng (cùng với các đa cực khác) có thể sử dụng các ion đủ nặng.
ví dụ .