HAL Id: jpa-00206665
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Étude de la collision élastique d-4He par la méthode des groupes de résonance
W. Laskar, R. Le Maitre
To cite this version:
W. Laskar, R. Le Maitre. Étude de la collision élastique d-4He par la méthode des groupes de résonance. Journal de Physique, 1968, 29 (5-6), pp.409-418. �10.1051/jphys:01968002905-6040900�.
�jpa-00206665�
409.
ÉTUDE
DE LACOLLISION ÉLASTIQUE
D-4HePAR LA
MÉTHODE
DES GROUPES DERÉSONANCE
Par W. LASKAR et R. LE MAITRE
(1),
Centre de Physique Théorique, Faculté des Sciences de Nantes.
(Reçu
le 6 novembye1967.)
Résumé. 2014 La collision
élastique
D-4He a été étudiée pour desénergies
du deutéron incidentEd(Lab)
= 0,2 ; 0,933 ; 1,053 ; 1,073 ; ;1,093 ; 3 et 10,3 MeV. Lepotentiel
d’interaction nucléon- nucléon est unpotentiel
centralgaussien
avec forcesd’échange.
L’étude aporté
sur troistypes
de forces
(Serber,
WMBH,Biel)
etpermet
de retrouver l’ordre degrandeur
et la formedes distributions
angulaires,
enparticulier
la résonance dans l = 2 pourEd(Lab)
= 1,07 MeVqui correspond
au niveau excité de 2,19 MeV( J
= 3+, T =0)
du 6Li.Abstract. 2014 The elastic
scattering
D-4He has been studied forénergies Ed(Lab)
= 0.2, 0.933, 1.053, 1.073, 1.093, 3 and 10.3 MeV of the incident deuteron. Thepotential
used isa two
body
central interaction withexchange dependence
andgaussian shape.
Serber, WMBH and Bieltypes
ofexchange
have beeninvestigated.
Numerical results have been obtained andagreement is found in the
shape
and order ofmagnitude
forangular
distributions, and also therésonance for l = 2 and
Ed(Lab)
= 1.07 MeVcorresponding
to the first excited level of 6Li(J
= 3+, T =0)
at 2.19 MeV.LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 29, MAI-JUIN 1968,
I. Introduction. - La forme
générale
du modeleconsidere ici
(structure
en groupes deresonance)
aete
expos6e
dans un article fondamental[1]
parJ.
A. Wheeler en 1937. Dans cetteth6orie,
on considerequ’au
moment de la collision du noyauprojectile
avecle
noyau-cible
il y aurait formation d’un noyau inter- m6diaire dont tout 6tat peut 8tre considere comme lasuperposition
de groupes de nucl6ons continuellement bris6s et reform6s de manieredifférente, 1’6change
desnucl6ons entre les groupes 6tant
responsable
des forcesde liaison.
En vue de rendre les calculs
r6alisables,
on neconsid6re que deux groupes, et la distance r entre
leurs centres de
gravite
est la variableprincipale
duprobleme. Apres
un6change
de nucl6ons entre les deux groupes, r devient r’.Dans le cas
particulier
de la collisionD-4He, on
estainsi conduit a
distinguer
deux sortesd’6changes, simples
et doubles. Onpeut
montrer que,quel
que soit le typed’interaction,
on obtient uneequation intégro-différentielle
de la forme :en
d6signant
parF(r)
la fonction de diffusion.Le
principe
de conservation de1’energie
entraineque :
II. Le
potentiel
d’interaction nucleon-nucleon et les fonctions d’onde des noyaux. - A. LE POTENTIELD’ECHANGE NUCLEON-NUCLEON. - Les notations utili- s6es sont celles de
Buckingham
etMassey [2].
L’in-teraction nucléon-nucléon est
suppos6e purement
cen- trale et de la forme :ou :
et :
Wij
estl’op6rateur
identite deWigner, Mij, Bij, Hij
sont lesop6rateurs
usuels deMajorana, Bartlett, Heisenberg, qui 6changent respectivement
les coor-donn6es
d’espace,
despin, d’espace
et despin
desdeux nucléons i
et j.
Cesopérateurs
sont tels que :D’apres
leprincipe
d’exclusion dePauli,
la fonctiond’onde totale doit être
completement antisym6trique
par
rapport
aux coordonn6esd’espace,
despin
et despin isotopique;
end6signant
par :Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01968002905-6040900
l’op6rateur qui 6change
lesspins isotopiques
des deuxnucl6ons i
et j,
on obtient :d’où l’on tire :
comme :
on en deduit ais6ment :
Les constantes w, m,
b,
h determinentl’importance
relative de
chaque type d’6change,
elles sont choisiesen fonction des differentes theories des forces nucl6aires
et satisfont a : :
x =
0,6
est lerapport
des interactionssinglet
1S ettriplet
3S(Motz
etSchwinger, 1940).
La resolution de
1’6quation
a ete effectuee en consi- d6rant successivement troistypes
de forces :1)
Forcesempiriques
de Serber :2)
Forcessym6triques
WMBH :3)
Forces de Biel :Ce
melange
d’interaction Serber et WMBH a donne de bons resultats pour1’energie
de liaison despremiers
noyaux du
type
4n et la collision oc-cx.Le fait que le deut6ron
possede
un momentquadru- polaire implique
que la force n’est pas purementcentrale,
mais1’hypothese
d’une force centrale commepremiere approximation
permet d’obtenir des resul-tats
pr6liminaires
dans un delairaisonnable,
en consi-d6rant le
spin
total S dusysteme
et le moment orbital lcomme de bons nombres
quantiques.
D’autre part, du fait que lespin
total neprend
iciqu’une
seulevaleur,
on aura une seuleequation
a 6tudier[3].
Lepotentiel
utilise ici est unpotentiel
centralgaussien :
avec :
MeV, profondeur
dupuits
cm,
port6e
des forces.Cette
port6e
po estsup6rieure
a la normale et permet de tenircompte,
dans une certaine mesure, des forcesnon centrales.
Rappelons
en outre que, aux bassesenergies,
les resultats nedependent
que de laprofon-
deur et de la
portee
dupuits,
et sontindependants
desa forme
(formule
de Blatt etJackson).
B. FONCTIONS D’ESSAI ET PRINCIPE VARIATIONNEL. -
En
d6signant
par Tl’op6rateur d’6nergie cin6tique,
l’hamiltonien s’6crit :
les fonctions d’onde pour les noyaux dans leur 6tat fondamental sont les solutions exactes de
1’6quation
de
Schrodinger :
E
d6signant 1’energie
de liaisoncorrespondante.
Comme il est
impossible
de resoudre cetteequation
en utilisant un
potentiel gaussien,
etd’exprimer
lesfonctions propres sous forme
analytique,
on choisitune fonction d’essai pour la
partie d’espace.
La fonction d’onde totale 6tant
completement
anti-sym6trique,
onpeut
choisir une fonctiond’espace sym6trique
parrapport
auxpermutations
des nu-cl6ons. En
effet,
leproduit
desparties
despin
et despin isotopique
peut 6treantisym6tris6
pour un nombre de nucl6ons inferieur ou6gal
a 4[3].
Parmi cetteclasse de
fonctions,
une formegaussienne
a eteadoptee :
- pour le deut6ron :
- pour le noyau 4He :
ou
ND
etN ex d6signent
les facteurs de normalisationcorrespondants. (x, P,
X et c sont desparametres
dontles valeurs
num6riques
ont ete calcul6es[3].
Ils sont determines par la m6thode variationnelle de
façon
que :pour des variations
aXi arbitraires, Ài d6signant
ici l’unquelconque
desparametres
ci-dessus et1’energie
de liaisoncorrespondante.
411
On sait que la valeur moyenne
Emin
ainsi obtenueest une limite
sup6rieure
pour1’energie
de liaison Eet v6rifie
1’equation :
Cette
equation integrale,
satisfaite par la fonction d’ondenucl6aire,
est utilis6e par la suite poursimplifier 1’6quation
de la collision.Dans la collision
D-4He,
on 6tudie la collision de deux groupes departicules D(56)-4He(1234).
En utilisant le
changement
de variableindique
dans
[3],
onpeut
écrire successivement :1’energie
de liaison de 4He s’obtient en faisant A = 4 dans1’6quation (41)
de[3]
que nousreproduisons
ici :avec les valeurs
indiqu6es
dans[3]
pour les diversparametres,
on trouve :les constantes du deut6ron 6tant
toujours
celles utili- s6es dans lesprecedents probl6mes
D-D[4]
etD-T [5].
III. La fonction d’onde totale et
l’équation
de la collision. - End6signant
les protons par des nombrespairs
et les neutrons par des nombresimpairs,
unefonction d’onde de
sym6trie
correctequi
traduit lastructure en groupes de resonance de
J.
A. Wheeler dusysteme (56, 1234)
s’6crit[3] :
-
p(56)
ety(1234) d6signant respectivement
lesfonctions d’onde
gaussiennes,
double pour le deu-t6ron, simple
pour le noyau4 He ;
-
F(56, 1234)
est la fonction de diffusion dusysteme qui
sera d6termin6e par la m6thodeclassique
desondes
partielles
d6crite dans Mott etMassey [9]
et
Pi,
unop6rateur d’6change
dutype Heisenberg;
-
G(56, 1234)
est la fonction despin
dusysteme.
Comme dans le cas d’un faisceau incident non
polarise
la section efficace estind6pendante
de m,on a utilise la fonction de
spin :
La m6thode
g6n6rale
pour d6duire1’6quation
dela collision a
partir
duprincipe
variationnel est d6crite dans l’article fondamentalde J.
A. Wheeler[1].
Cette m6thode variationnelle conduit a
l’int6gration
sur des variables internes et 1’element différentiel de volume
appropri6
est :La variable de base est la variable de
separation intergroupes :
l’op6rateur Pij remplace
ensuite r par r’.Pour le ler
type d’échange (Simple I’)
:et pour le 2e
type d’échange (Double II) :
Parmi les 15 interactions a
considérer,
il y a 86changes
du 1 ertype
et 6 du 2e type.Les noyaux
correspondants
serontdésignés
suivantles notations utilis6es
pr6c6demment [3].
On posera en outre :
ou
Emin(D)
etEmin(a.) d6signent respectivement
1’ener-gie
de liaison du deut6ron et du noyau4 He,
etEd 1’6nergie cin6tique
du deut6ron incident dans le sys- t6me du centre de masse. D’autrepart :
avec :
N
d6signera
le noyau issu duproduit
des fonctions d’onde avec et sanséchange.
Apres prémultiplication
par les fonctions cp et 6appropri6es,
sommation sur lesspins
etintegration
sur les variables
internes,
et en utilisant1’equation
integrale :
satisfaite par chacune des fonctions d’onde nucl6aires pour
simplifier 1’6quation
de lacollision,
on obtient[3]
1’equation intégro-différentieHe
duprobleme
sous la forme :Dans cette
equation,
lesjacobiens J’
etJII
sontinclus dans les noyaux. Les coefficients d’interaction du type
(cow
+ ym +Pb
+th)
sont obtenus apartir
des
propri6t6s
desym6trie
de l’hamiltonien et de la fonctiond’onde, apres
avoir effectu6 correctement tousles
6changes, simples
et doubles.L’intégration
sur les variablesangulaires
est effec-tu6e de
faqon classique
en posant :0
d6signant l’angle
de diffusion dans lesysteme
r . r’
du centre de masse
et u = rr,
= cos0,
ou 0 est1’angle
entre les vecteurs r et r’.On obtient ainsi une
equation intégro-différentielle
pour
chaque
valeur de1’energie
et pourchaque
valeurde I sous la forme reduite :
U(r) d6signe
la combinaison lin6aireappropri6e
destermes directs nucl6aires et coulombiens. Le noyau
Kl (r, r’)
est la somme de la combinaison lin6aire ind6-pendante
del’énergie
et de termesdependant
del’énergie.
IV. La formulation
gaussienne
des différents termes.- A. LE TERME DE POTENTIEL DIRECT. -
Compte
tenu de la
propriété
des fonctions d’onde :il ne subsiste que des interactions nucl6aires du type V15 ou coulombiennes du type
v62.
On obtient alors successivement pour ces interac- tions :
Cette derniere
int6grale
est calcul6enum6riquement
par une m6thode
appropri6e :
formule de Gauss a 6points
parexemple.
B. LES NOYAUX DU TYPE NUCLEAIRE. - En utilisant pour les noyaux le
d6veloppement
enharmoniques sph6riques
6critprecedemment,
on a :D’autre
part,
si on considere led6veloppement
bienconnu :
en posant kr = ix et
compte
tenu de lapropriété :
413
on en tire aisement :
en définissant la fonction de Bessel
hyperbolique sph6rique :
Les deux
premi6res
fonctions sont :Les suivantes sont obtenues par la relation de r6currence :
Pour certains noyaux, il est int6ressant d’utiliser les relations de
parit6 :
ainsi que la relation entre fonctions et d6riv6es :
Ce
qui fournit,
pour les noyaux du typenucl6aire,
95
expressions
de la forme :les coefficients
correspondants
sont donnes dans le tableau III(r6f. [3],
tableau AA pour A =4).
C. LES NOYAUX DU TYPE COULOMBIEN. - La
prin- cipale
difficult6provient
du noyau(1/15),,
mais desdéveloppements appropri6s
ont ete donnespr6c6dem-
ment
[3], qui permettent
d’écrire ce type de noyau sous la formeg6n6rale :
ou
cpk(r, r’)
est unpolynome
en r et r’ etB(l)
un d6ve-loppement
sur les fonctions de Besselhyperboliques sph6riques.
En
posant
cesd6velop-
pements s’6crivent :
On peut
egalement
ramener cetype
de noyau a des sommesd’expression
de la forme :où I> est la fonction erreur :
les coefficients
correspondants
sont donnes dans le tableau III.V. Solution de
l’équation
et calcul des sections eflicaces. -L’équation intégro-différentielle
a r6sou-dre s’6crit donc :
En utilisant la m6thode
classique
des differences finies pour les d6riv6es et la formule deGregory
pour lesint6grales [10],
on ramene cetteequation
a un sys- t6me lin6aire ordinaire :ou les inconnues
f.
sont les valeurs defl(r)
auxpoints rn
consid6r6s.La forme
asymptotique
de la solution s’écrit :ou :
mi = arg
r(l
+ 1 +in)
est laphase
coulombienneavec :
Les conditions
impos6es
aux solutions sont en outre :La resolution
num6rique
de1’6quation
a ete effec-tu6e entierement sur 1’IBM 1130 du Service de M. Brulez aux Chantiers de
l’Atlantique
a Saint-Nazaire.
Les noyaux ont ete tabul6s pour 40
points
avec unpas H =
0,4.
La tabulation a ete effectu6e pour les trois valeurs de I et les resultatsnum6riques enregistr6s
simultan6ment sur
disque
et sur bandeperfor6e.
Les différentes combinaisons lin6aires
(Serber, WMBH, Biel)
ont ete ensuite constituées apartir
de cesenregistrements
pour I =0,
1 = 1 et 1 =2, puis
enfin les combinaisons lin6aires définitives
dependant
de
1’energie, qui
permettent de r6soudre1’6quation.
Cette
equation
est ensuite r6soluenum6riquement
par une m6thode
type Gauss-Jordan
pour uneenergie donn6e,
pour troistypes
de forces et trois valeurs del,
une fois constitués les coefficients
Bmn
apartir
duterme direct total et de la combinaison lin6aire des noyaux
dependant
de1’energie.
Il ne reste
plus qu’a
determiner lesphases
coulom-biennes mi et, une fois les fonctions coulombiennes
r6guli6res
etirrégulières
tabul6es par une methodeappropri6e,
on determine imm6diatement lesphases
nucl6aires
S.
La table des fonctions coulombiennes
r6guli6res
etirr6guli6res
et de leurs d6riv6es estdisponible
auLaboratoire de
Physique Th6orique
de la Faculte des Sciences deNantes,
chez les auteurs.En fin de programme, on utilise les formules clas-
siques
donnees par Mott etMassey [9]
pour calculer les distributionsangulaires.
Dans le tableau
I,
on donne unecorrespondance
entre la valeur de k et celle de
1’energie Ed(Lab)
dudeut6ron incident dans le laboratoire.
Dans le tableau
II,
sont donnees lesphases So, 81, $2 exprim6es
enradians,
pour chacune de cesenergies
etpour les diff6rents
types
de forces etudies.TABLEAU I
TABLEAU II
415
TABLEAU III
TYPE [I KE]
TYPE [II KE]
TYPE [II ) pq] NUCLfAIRE
TYPE [I pq] NUCLfAIRE
TABLEAU III
(suite)
TYPE [I pq] COULOMBIE--N
TYPE [III. pq] COULOMBIEN
VI. Discussion des rdsultats. - Ce travail termine la s6rie
D-N (A, Z)
avecA 4,
s6riequi
a 6t6entierement 6tudi6e avec les m6mes valeurs des para- metres
qui
interviennent dans les fonctionsd’espace
des noyaux et pour les memes
types
de forces[3].
La resonance
qui correspond
au niveau excite de2,19
MeV( J = 3+,
T =0)
de 6Li a ete discut6edans un article
precedent.
Rappelons cependant qu’elle
se situe dans laphase
1 = 2 pour
Ed(Lab)
=1,07
MeV et que salargeur
est de 35 keV
[12, 13].
FIG. 1.
6Li est considere ici comme un
groupement
(D-4He)
et1’6quation intégro-différentielle
de la colli- sion a ete r6solue sansapproximation.
Contrairement a Wackman et Austern[18],
nous avons considere leprobleme
a 6 nucl6ons en tenantcompte
de tous lesFIG. 2.
6changes possibles, simples
etdoubles,
les seuls para- m6tres dontd6pende
leprobleme
sont laprofondeur
du
puits Vo,
laport6e
des forcespo
et letype d’6change.
Il y a deux conclusions essentielles a tirer de cette
etude : la
premiere,
c’est que l’interaction dutype
Serber donne le meilleur accord avec les resultatsexpérimentaux
et permet depr6voir
leuraspect quali-
tatif et, dans une certaine
mesure, l’ordre
degrandeur
des distributions
angulaires.
Ladeuxieme,
c’est417
qu’aux
tres bassesenergies
la collision estpratique-
ment
independante
du type de forces.Nous avons
reproduit
les resultats obtenus a basseenergie (Ed(Lab)
= 3MeV)
sur lafigure
3. L’accordavec
1’experience
n’est pas tressatisfaisant,
ceci peutFIG. 3.
s’expliquer
par le fait que1’energie
n’est pas assez 6lev6e pour procurer un testsignificatif
pour les forcesd’6change.
Parexemple,
selon Blair et al.[20],
pourEd(Lab)
=1,42
MeV et 6 =30°,
la section efficace observ6e ne differe de la section efficace coulombienne que de 14%,
alors que 1’effet de la force nucl6aire domine auxgrands angles.
En tout cas, 1’effet de resonance de 6Li se fait sentir autour de 1 MeV etles sections efficaces restent 6lev6es. Le fait que les valeurs calcul6es soient
superieures
aux valeurs mesu-r6es est en accord avec les observations faites pour d’autres collisions de noyaux
16gers [8].
Aux environs de
Ed(Lab)
= 3MeV,
on n’obtientpas
d’augmentation
sensible de la sectionefficace,
cequi
est bien en accord avec les resultatsexpérimentaux
de
Galonsky et
al.[12]
et reflète le fait que la conser- vation du momentangulaire
et duspin isotopique
interdit de trouver un 6tat
J = 0+,
T = 1 au coursde la collision
D-4He,
seuls les 6tats T = 0peuvent
influencer cettecollision,
lespin isotopique
6tant unbon nombre
quantique.
Les fonctions d’onde
gaussiennes peuvent
6tre cri-tiqu6es
pour avoir uneport6e trop faible,
mais ceteffet ne
joue qu’aux petits angles,
et on sait que danstous les cas 1’effet coulombien est dominant pour des
angles
inferieurs a 200.L’effet de
spin-orbite joue egalement
un roleimpor-
tant aux basses
energies,
c’est-a-direquand 1’energie
du deut6ron incident est
comparable
a1’energie
du
couplage,
enparticulier
dans le cas de laresonance l = 2.
11 reste evidemment que
l’approximation
des forcescentrales ne tient pas
compte
de 1’effet des forcestensorielles,
mais l’inclusion d’unecomposante
tenso- rielle accroit considérablement le travailrequis
pour faire aboutir les calculs.Pour des
energies plus élevées, l’accord
est meilleur( fig. 4)
surtout dans sonaspect qualitatif,
notammentl’apparition
dans la courbe des distributionsangulaires
FIG. 4.
de deux minima aux environs de 650 et 1300 et d’un maximum aux environs de 1000
deja soulignes
parBurge et
al.[21]
et nettement caractérisés sur les courbes deBrolley et
al.[14].
..Les conclusions de ce
probleme
sont en accord avecles resultats obtenus
pr6c6demment
au cours desdiverses 6tudes de collisions de noyaux
16gers [3].
I
FIG. 5.
La m6thode des groupes de resonance
de J.
A. Whee-ler,
si elle nepermet
pastoujours
depr6voir
exacte-ment les resultats
quantitatifs,
donne souvent de bonsresultats
qualitatifs
et permet en outre de couvrir ungrand
nombre de resultatsexpérimentaux
pour les collisions de noyaux16gers
avec seulement troisparam6tres.
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