⚛️ النظرية النووية

Contribution of incomplete fusion to the evaporation residue cross sections in the $^{30}$ Si $+^{186}$ W reaction

تستخدم هذه الدراسة نموذج النظام ثنائي النواة لتوضيح أنه بينما يهيمن الاندماج الكامل على تكوين بقايا التبخر في تفاعل $^{30}$ Si+ $^{186}$ W عند الطاقات المنخفضة، يصبح الاندماج غير الكامل عبر انبعاث جسيمات ألفا هو المصدر الرئيسي لنظائر الرادون عند طاقات أعلى ( $E_{c.m.} > 128$ MeV)، مما يفسر بنجاح المقاطع العرضية الكلية لبقايا التبخر المقاسة.

المؤلفون الأصليون: Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

نُشر 2026-10-14

📖 4 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Bakhodir Kayumov, Avazbek Nasirov

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

في عالم الجسيمات دون الذرية، حيث تتكون المادة من البروتونات والنيوترونات، يحاول العلماء غالباً بناء عناصر أثقل عن طريق صدم نواتتي ذرة أخف وزناً ببعضهما البعض بسرعات هائلة. عندما تصطدم هاتان النواتان، يمكنهما الالتصاق معاً لتشكيل "نواة مركبة" واحدة، أكبر حجماً وشديدة الإثارة. ثم تبرد هذه النواة العملاقة غير المستقرة عبر إطلاق جسيمات صغيرة مثل النيوترونات أو جسيمات ألفا، لتستقر في النهاية على شكل عنصر ثقيل جديد. ومع ذلك، فإن هذه العملية محفوفة بالصعوبات؛ فغالباً، بدلاً من الاندماج في وحدة واحدة، قد تنزلق النواتان المصطدمتان عن بعضهما البعض أو تتفككان إلى شظايا مختلفة قبل أن تتحدا تماماً. ويعد هذا الفشل في الاندماج عقبة رئيسية في المسعى الرامي لابتكار أثقل العناصر في الكون.

ولفهم سبب نجاح أو فشل هذه الاصطدامات، ينظر الباحثون إلى شكل وتوجه النوى المعنية. فالكثير من النوى الذرية ليست كرات مثالية؛ فبعضها مسطح مثل الفطيرة، بينما البعض الآخر ممدد مثل كرة الرغبي. وعندما تصطدم هذه النوى ذات الأشكال الغريبة، فإن الزاوية التي تصطدم بها ببعضها البعض تكتسب أهمية بالغة. علاوة على ذلك، عند السرعات العالية جداً، قد لا تكتفي النواة بالتفكك إلى نصفين متساويين، بل قد تفقد قطعة صغيرة، مثل جسيم ألفا، بينما يندمج الجزء المتبقي منها مع الهدف. وتخلق هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الاندماج غير الكامل"، مجموعة مختلفة من العناصر الثقيلة مقارنة بعملية الاندماج الكامل القياسية. إن فهم التوازن بين هذه النتائج المختلفة أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بالعناصر الثقيلة التي يمكن صنعها ومدى كمية إنتاجها.

لقد ألقى فريق من الباحثين مؤخراً نظرة فاحصة على اصطدام محدد بين السيليكون-30 والتنجستن-186 لمعرفة كيف تسير مسارات الاندماج المختلفة هذه. وباستخدام نموذج حاسوبي متطور يعامل النوى المتصادمة كزوج مؤقت من شركاء الرقص، قاموا بمحاكاة ما يحدث عندما تصطدم هاتان الذرتان ببعضهما البعض. كان هدفهم هو حساب مدى تكرار التصاق النواتين معاً بشكل كامل، ومدى تكرار تفككهما، ومدى تكرار خضوعهما للاندماج غير الكامل، حيث يتم التخلص من قطعة صغيرة قبل اندماج الأجزاء الرئيسية. وقد ركزوا على نطاق من طاقات الاصطدام، من 107.6 إلى 172.2 مليون إلكترون فولت، وهو مقياس يمثل الطاقة الهائلة المطلوبة لإجبار هذه الأنوية الذرية على الاندماج معاً.

وجد الباحثون أنه عند طاقات الاصطدام المنخفضة، تكون الطريقة الأساسية لإنتاج الرواسب الثقيلة المرغوبة هي الاندماج الكامل، حيث تندمج النواتان في وحدة واحدة تسمى الراديوم-216. ومع ذلك، مع زيادة طاقة الاصطدام عن 128 ميجا إلكترون فولت تقريباً، تتغير القصة بشكل جذري. في هذا النطاق من الطاقة الأعلى، يصبح مسار الاندماج غير الكامل هو المصدر المهيمن للعناصر الثقيلة النهائية. في هذا السيناريو، يتفكك النظام المصطدم بطريقة تؤدي إلى إطلاق جسيم ألفا، تاركاً وراءه نواة أخف قليلاً تسمى الرادون-212. وتظهر الدراسة أنه فوق عتبة الطاقة هذه، تساهم نظائر الرادون الناتجة عن الاندماج غير الكامل بأكثر من نصف جميع الرواسب الثقيلة الملاحظة.

يفسر هذا التحول في الهيمنة لغزاً طال أمده في البيانات التجريبية. فعندما يقيس العلماء الكمية الإجمالية للمواد الثقيلة الناتجة في هذه الاصطدامات، فإن الرقم لا ينخفض بالسرعة المتوقعة عندما تصبح الطاقة عالية جداً. فلو كان مسار الاندماج الكامل هو الوحيد الذي يعمل، لكان إنتاج نظائر الراديوم سيهبط بمقدار عشرة أضعاف مع ارتفاع الطاقة. ومع ذلك، يظل العائد الإجمالي مستقراً نسبياً. وتظهر حسابات الباحثين أن قناة الاندماج غير الكامل تسد هذه الفجوة؛ فبينما ينخفض إنتاج الراديوم بشكل حاد، يرتفع إنتاج الرادون عبر الاندماج غير الكامل ليعوض ذلك، مما يحافظ على استقرار العدد الإجمالي للرواسب الثقيلة من الانهيار.

كما أوضحت الدراسة طبيعة الجسيمات المنتجة. فقد حسب الباحثون أنه من المستحيل عملياً تكوين نظائر الرادون الثقيلة، وتحديداً الرادون-212 والرادون-211، عبر مسار الاندماج الكامل القياسي عند هذه الطاقات. فالطاقة المطلوبة للتخلص من جسيم ألفا من النواة المندمجة تماماً عالية جداً. وبدلاً من ذلك، فإن هذه النظائر المحددة هي حصرياً نتيجة لعملية الاندماج غير الكامل، حيث يتم التخلص من جسيم ألفا في وقت مبكر من الاصطدام، مما يترك خلفه نواة رادون "أبرد" وأكثر استقراراً. وهذا التمييز دقيق للغاية لدرجة أن اكتشاف هذه النظائر المحددة من الرادون في تجربة ما سيكون بمثابة علامة واضحة على حدوث الاندماج غير الكامل.

وعندما قارن الباحثون نتائج المحاكاة الخاصة بهم مع البيانات التجريبية الفعلية، وجدوا توافقاً قوياً في الاتجاهات العامة. لقد نجح النموذج في إعادة إنتاج الانخفاض البطيء في العائد الإجمالي للعناصر الثقيلة عند الطاقات العالية، وهي سمة لم تستطع النماذج السابقة التي ركزت فقط على الاندماج الكامل تفسيرها. وُجد أن احتمالية اندماج النوى تماماً، عند أخذ زوايا الاصطدام الأكثر فعالية في الاعتبار، كانت حوالي 0.75. وهذه القيمة أعلى قليلاً من القيمة 0.57 المستمدة من مقارنات تجريبية سابقة، مما يشير إلى أن النموذج النظري يلتقط فيزياء الاصطدام بدقة جيدة. ويؤكد هذا العمل أن الاندماج غير الكامل ليس مجرد أثر جانبي ثانوي، بل هو لاعب رئيسي في تكوين العناصر الثقيلة في هذا التفاعل المحدد، مما يشكل بشكل أساسي مشهد ما يمكن ابتكاره في المختبر.

ملخص تقني: مساهمة الاندماج غير الكامل في مقاطع عرض بقايا التبخر لتفاعل $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$

بيان المشكلة
يعد تكوين بقايا التبخر (ER) في تصادمات الأيونات الثقيلة عملية معقدة تتنافس مع التفتت شبه الانشطاري (quasifission). وبينما كان يُعتقد تاريخياً أن إعاقة الاندماج الكامل تصبح كبيرة فقط في التفاعلات التي يكون فيها حاصل ضرب أعداد الشحنات $Z_1Z_2 > 1600$ ، إلا أن البيانات التجريبية لتفاعل $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ ( $Z_1Z_2 = 1036$ ) أشارت إلى خلاف ذلك. فقد أوضحت الدراسات السابقة أن إنتاج نظائر الراديوم (Ra) (الناتجة عن الاندماج الكامل) ينخفض بشكل ملحوظ عند طاقات الإثارة العالية، ومع ذلك يظل إجمالي إنتاج بقايا التبخر (ER) (بما في ذلك نظائر الرادون Rn والفرانسيوم Fr) مرتفعاً نسبياً. هذا التباين أشار إلى وجود آلية تتجاوز الاندماج الكامل والتقسيم شبه الانشطاري القياسي. وقد لاحظ بيريمان وآخرون أن النواتج غير التابعة للراديوم قد تتأثر بتفكك القذيفة إلى عناقيد جسيمات ألفا ( $\alpha$ ) عند الزخم الزاوي المداري ( $\ell$ ) الكبير، مما يؤدي إلى اندماج غير كامل (ICF). وكان التفسير النظري لهذا الإنتاج الكبير من نواتج غير الراديوم، وخاصة نظائر الرادون، هو الموضوع الرئيسي لهذا الاستقصاء.

المنهجية
قام المؤلفون بتحليل تفاعل $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ ضمن إطار نموذج النظام ثنائي النواة (DNS)، مع دمج آليات الاندماج الكامل والاندماج غير الكامل (ICF).

الالتقاط والديناميكا: تم حساب مقطع الالتقاط عبر حل معادلات الحركة الديناميكية للمسافة النسبية والزخم الزاوي المداري، مع المتوسط لزوايا التوجيه للنوى المشوهة $^{30}\text{Si}$ (المفلطحة/oblate) و $^{186}\text{W}$ (الممدودة/prolate).
سطح طاقة الجهد (PES): خضع تطور النظام ثنائي النواة (DNS) لسطح طاقة جهد يتضمن تأثيرات القشرة. وقد نظر النموذج في التنافس بين انتقال النوكليونات الذي يؤدي إلى الاندماج الكامل، وتفكك النظام ثنائي النواة عبر التقسيم شبه الانشطاري.
آلية الاندماج غير الكامل (ICF): عولج الاندماج غير الكامل ليس كتفكك ما قبل الالتقاط، بل كتفكك للنظام ثنائي النواة من تكوين شديد عدم التماثل الكتلي ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) ناتج عن انتقال النوكليونات عند قيم $\ell$ الكبيرة. تم حساب احتمال انبعاث جسيم ألفا ( $\alpha$ ) بناءً على استيطان هذا التكوين المحدد للنظام ثنائي النواة ومعدل تفككه عبر حاجز التقسيم شبه الانشطاري.
الازدحام الإحصائي: تم حساب احتمالات البقاء للنواة المركبة المثارة $^{216}\text{Ra}^*$ (من الاندماج الكامل) والنواة المترافقة $^{212}\text{Rn}^*$ (المتكونة بعد انبعاث $\alpha$ في الاندماج غير الكامل) باستخدام نموذج إحصائي. شمل ذلك عرض انبعاث النيوترونات، والبروتونات، وجسيمات ألفا، وحواجز الانشطار (المصححة بعوامل كرامرز وستروسينسكي)، وكثافات المستويات مع تخامد القشرة.

المساهمات والنتائج الرئيسية

آلية الاندماج غير الكامل (ICF): تؤكد الدراسة أن الاندماج غير الكامل في هذا التفاعل يحدث عبر تكوين نظام ثنائي النواة (DNS) شديد عدم التماثل الكتلي ( $\alpha + ^{212}\text{Rn}$ ) يليه انبعاث جسيم ألفا. هذه العملية تكون مهيمنة عند قيم الزخم الزاوي المداري الكبيرة ( $\ell \approx 20\text{--}60\hbar$ ).
مساهمات مقطع العرض:
- عند طاقات التصادم المنخفضة ( $E_{c.m.} \lesssim 125$ MeV)، يعد الاندماج الكامل المصدر الأساسي لبقايا التبخر (نظائر Ra).
- فوق $E_{c.m.} \approx 128$ MeV، تصبح مساهمة الاندماج غير الكامل مهيمنة، حيث تشكل أكثر من نصف إجمالي مقطع عرض بقايا التبخر المحسوب.
- يزدير مقطع عرض الاندماج غير الكامل بمقدار رتبتين من حيث المقدار من أدنى الطاقات وصولاً إلى $E_{c.m.} \approx 120$ MeV، ليصل إلى حوالي 30 ميلي بارن عند الطاقات العالية.
إعادة إنتاج البيانات التجريبية:
- إن مجموع مقاطع عرض الاندماج الكامل (نظائر Ra) والاندماج غير الكامل (نظائر Rn) يعيد بنجاح إنتاج التناقص البطيء في إجمالي مقطع عرض بقايا التبثر المقاس عند الطاقات العالية.
- في المقابل، ينخفض إنتاج نظائر الراديوم (Ra) وحدها بمقدار رتبة مقدار واحدة في هذا النطاق من الطاقة.
- يتفق إجمالي مقطع عرض بقايا التبخر المحسوب مع البيانات التجريبية في حدود 17% لـ $E_{c.m.} = 120\text{--}151$ MeV.
احتمالية الاندماج: تبلغ احتمالية الاندماج المحسوبة للموجات الجزئية المساهمة في تكوين بقايا التبخر ( $\ell \leq 30\hbar$ ) حوالي 0.75. وهذا يتجاوز القيمة $0.57 \pm 0.08$ المستخلصة من البيانات التجريبية بواسطة بيريمان وآخرون، مما يشير إلى أن التقسيم شبه الانشطاري يعيق الاندماج الكامل في هذا التفاعل حتى عند $Z_1Z_2 = 1036$ .
البصمات النظائرية: تكشف حسابات قنوات الازدحام أن مساهمة الاندماج الكامل في تكوين $^{212}\text{Rn}$ و $^{211}\text{Rn}$ ضئيلة جداً (مقاطع عرض $< 10^{-3}$ ميلي بارن). يتم تكوين هذه النظائر حصرياً تقريباً عبر الاندماج غير الكامل، حيث تكون مقاطع العرض في قناة الاندماج غير الكامل أكبر بأكثر من ثلاث رتب مقدار من قناة الاندماج الكامل.

الأهمية
توضح هذه الورقة أن الاندماج غير الكامل، المدفوع بتفكك نظام ثنائي النواة (DNS) شديد عدم التماثل الكتلي عند قيم زخم زاوي مداري كبيرة، يعد آلية حاسمة لتفسير إجمالي إنتاج مقطع عرض بقايا التبخر في تفاعل $^{30}\text{Si} + ^{186}\text{W}$ . إن إدراج قناة الاندماج غير الكامل يحل التباين بين الانخفاض السريع في إنتاج نظائر الراديوم (Ra) والتناقص الأبطأ في إجمالي إنتاج بقايا التبخر (ER) الملاحظ تجريبياً. علاوة على ذلك، تحدد الدراسة إنتاج نظائر $^{212}\text{Rn}$ و $^{211}\text{Rn}$ ، المتزامنة مع جسيمات ألفا، كبصمة مميزة لآلية الاندماج غير الكامل في هذا التفاعل، مما يوفر اختباراً محتملاً لنموذج الـ DNS للاندماج غير الكامل. كما تعزز النتائج الاستنتاج بأن التقسيم شبه الانشطاري يعيق الاندماج الكامل بشكل كبير في التفاعلات التي يكون فيها $Z_1Z_2$ أقل بكثير من العتبة المقبولة تقليدياً وهي 1600.

أبحاث مشابهة