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在时间序列上,中能重离子碰撞过程首先是处于基态的弹靶核之间的相互挤压,在这个过程中系统的密度、温度、压强等急剧增加,形成不稳定的热核物质。紧随其后的是系统的膨胀,在这一阶段核物质可能发生汽-液相变并碎裂,表现出一系列丰富且复杂的物理现象,其中许多特征与非线性混沌密切相关,譬如,当人们将定义于非线性动力学中的Lyapunov指数等混沌特征量应用于对上述过程的分析时发现:碰撞过程中的Lyapunov指数大于零[18-21],完全符合非线性动力学理论中混沌运动出现的条件,既然如此,人们自然会想到,在这样的过程中还会有哪些与非线性动力学一致的特征物理量,或者说,中能重离子碰撞或相变过程中其他非线性动力学特征量如何表现,譬如:对初始状态的敏感性是怎样表现的?由于本文的目的在于考察平均场耗散的非线性混沌及其在多重碎裂中的表现,我们直接从处于极端条件下的热核物质出发,重点研究膨胀阶段的非线性动力学特征。为了保证计算的正确性以及能够与已有结果进行对比研究,我们采用已被广泛研究的Skyrme相互作用势,并以
${}^{208}{\rm{Pb}}$ 原子核为例,在明确了这一体系在不同温度与密度条件下的稳定性条件之后,模拟系统的时空演化,分析和观察我们的目标量。由文献[22-25]知,在温度$T \geqslant 4\;{\rm{ MeV}}$ 时,中子n和质子p的化学势为$${\mu _{\rm q}} = {U_{\rm q}} + T\left[\ln \left(\frac{{\lambda _T^3{\rho _{\rm q}}}}{2}\right) + \sum\limits_k {\frac{{k + 1}}{k}} {{{b}}_k}{\left(\frac{{\lambda _T^3{\rho _{\rm q}}}}{2}\right)^k}\right],$$ (1) 其中:
$\lambda _T^{} = {\left(\dfrac{{2{\rm{\pi }}{\hbar ^2}}}{{mT}}\right)^{\frac{1}{2}}}$ 称之为核子的热波长;${{\rm{b}}_k}$ 为维里展开系数;${\rm q} = {\rm{n,p}}$ ;在本文计算中,式(1)中对$k$ 的求和取至前5项。包括Skyrme相互作用的同位旋非对称的有限原子核的平均场${U_{\rm q}}$ 可以表示为$$\begin{split} {U_{\rm q}} =& \alpha \left({\frac{\rho }{\rho }_0}\right) + \beta {\left({\frac{\rho }{\rho }_0}\right)^\gamma } \pm 2{e_{\rm{a}}}\frac{{{\rho _{{\rm{n}} - }}{\rho _{\rm{p}}}}}{{{\rho _0}}}+ \\& \frac{6}{5}Z{e^2}{\left(\frac{{4{\rm{\pi }}\rho }}{{3A}}\right)^{1/3}} + \gamma (T){\left(\frac{{4{\rm{\pi }}\rho }}{{3A}}\right)^{1/3}}{\rho ^{ - 1}}, \end{split}$$ (2) 式中:前两项表示Skyrme势
${U^{{\rm{Sky}}}}$ ;第三项为对称势${U^{{\rm{Sym}}}}$ ;对于中子对称势取“+”号;对于质子取“–”号;第四与第五项分别为库仑势和核的表面势;$A$ 为原子核中的核子数;$\rho {\rm{ = }}{\rho _{\rm{n}}} + {\rho _{\rm{p}}}$ ,${\rho _{\rm{n}}},\;{\rho _{\rm{p}}}$ 和${\rho _0}$ 分别为中子、质子以及核物质饱和密度;${e_{\rm{a}}}$ 为对称势强度,计算中取其值为16 MeV;$\gamma (T)$ 为温度$T$ 有关的表面张力系数:$$ \gamma (T){\rm{ = }}1.14\left[1 + \frac{3}{2}\frac{T}{{{T_{\rm{c}}}}}\right]{\left[1 - \frac{T}{{{T_{\rm{c}}}}}\right]^{\frac{2}{3}}}, $$ (3) 式中
${T_{\rm{c}}}$ 为临界温度。根据Gibbs-Duhem关系为$$\frac{{\partial P}}{{\partial \rho }} = \frac{\rho }{2}\left[\big(1 + \delta \big)\frac{{\partial {\mu _{\rm{n}}}}}{{\partial \rho }} + \big(1 - \delta \big)\frac{{\partial {\mu _{\rm{p}}}}}{{\partial \rho }}\right],$$ (4) 其中
$\delta {\rm{ = }}\dfrac{{{\rho _{\rm{n}}}{\rm{ - }}{\rho _{\rm{p}}}}}{{{\rho _{\rm{n}}} + {\rho _{\rm{p}}}}}$ 为相对中子过剩,容易求出上述不同势所对应的压强:$${P_{{\rm{kin}}}} \!=\! \frac{{\rho T}}{2}\!\!\left\{ 2{\rm{ + }}\!\sum\limits_n {{{{b}}_n}} {\left(\!\frac{{\lambda _T^3{\rho _q}}}{2}\!\right)^{\!n}}\!\Big[{\big(1 + \delta \big)^{n{\rm{ + 1}}}}{\rm{ + }}{\big(1 - \delta \big)^{n{\rm{ + 1}}}}\Big]\!\right\} ,$$ (5) $${P_{{\rm{Sky}}}}{\rm{ = }}\frac{{\alpha {\rho _0}}}{2}{\left(\frac{{{\rho _{}}}}{{{\rho _0}}}\right)^2} + \frac{{\beta {\rho _0}}}{{\gamma {\rm{ + }}1}}{\left(\frac{{{\rho _{}}}}{{{\rho _0}}}\right)^{\gamma {\rm{ + }}1}},$$ (6) $$ {P_{{\rm{Sym}}}}{\rm{ = }} \pm {e_a}{\left(\frac{\rho }{{{\rho _0}}}\right)^2}{\delta ^2}, $$ (7) $${P_{{\rm{Coul}}}}{\rm{ = }}\frac{{{{\rm{Z}}^2}{e^2}}}{{5{{A}}}}{\left(\frac{{4{\rm{\pi }}\rho }}{{3A}}\right)^{1/3}},$$ (8) $$ {P_{{\rm{Surf}}}}{\rm{ = - 2}}\gamma (T){\left(\frac{{4\pi \rho }}{{3A}}\right)^{1/3}}{\text{。}} $$ (9) 根据平均单粒子能量E和总压强
$P = {P_{{\rm{kin}}}} + {P_{{\rm{Sky}}}} + $ $P{}{_{{\rm{Sym}}}} + {P_{{\rm{Coul}}}} + {P_{{\rm{Surf}}}}$ ,以及系统的热学与力学稳定性条件:$$ {\left(\frac{{\partial E}}{{\partial T}}\right)_{\rho ,\delta }} \geqslant 0,\;\;{\left(\frac{{\partial P}}{{\partial \rho }}\right)_{T,\delta }} \geqslant 0{\text{。}} $$ (10) 可以确定出
${}^{208}{\rm{Pb}}$ 原子核发生相变的临界温度为${T_{\rm{c}}} \approx 13.5$ MeV。其相图由图1给出,图中点线之下区域为力学不稳定区,化学不稳定区与力学不稳定区基本重合,图中未标出。参照图1,按照文献[24-26]的方法,在半径为
$R(T) = (\sqrt[3]{{3A/4{\rm{\pi }}\rho }})(1 + 0.000\,41{T^2})$ 的费米球内,等几率地抽取处于不同温度$T$ 和密度值$\rho $ 下的$A$ 个核子坐标,并按照温度$T$ 下的费米-狄拉克分布函数:$$ f(p) = \frac{1}{{1 + \exp \{ \beta ({\varepsilon _{\rm q}} - {\mu _{\rm q}})\} }}, $$ (11) 可以抽取核子动量。式(11)中
${\varepsilon _{\rm q}} = {p^2}/2m$ 和${\mu _{\rm q}}$ 分别为单核子动能和化学势(见式(1)),$\beta ={1/kT}$ 。由此得到的处于不同稳定条件下的208Pb原子核中核子的坐标与动量即为后续动力学演化的初始输入状态。 -
量子分子动力学(QMD)模型[27-28]是从描述系统的哈密顿量出发,通过时间有关的变分方法得到核子的演化方程,并用相干态波包来表示核子。因而该模型充分地计及了关联效应,特别适合于研究中能重离子碰撞的多重碎裂现象。人们利用此模型已经成功地解释了许多实验结果,揭示出了中能重离子碰撞过程中有关多重碎裂的重要特征。在本文计算中我们所用QMD模型的主要表达式及模型参数值详见文献[27-28],同时为了专注观察平均场耗散的基本特征,我们暂且不考虑碰撞项的影响。利用此模型计算有限温度下核物质的密度分布在平均场作用下随时间的演化,其相对平均密度
$$ < \rho (t) > /{\rho _0}{\rm{ = }}\frac{1}{{\rho (t = 0)}}\int {\rho (t)\rho (t){\rm{d}}{{r}}} , $$ (12) 和相对密度涨落为
$$ \sigma _\rho ^2 = \frac{{ < {\rho ^2}({\rm{t}}) > - < \rho (t){ > ^2}}}{{ < \rho (t){ > ^2}}}, $$ (13) 其中:
$ < {\rho ^2}(t) > {\rm{ = }}\int {{\rho ^3}(t){\rm{d}}{{r}}} $ 。据此,我们计算了温度为
$T= 6\;{\rm{MeV}}$ 的情况下,密度分布分别位于力学稳定区($\rho (0) = 0.11\;{{\rm{fm}}^{ - 3}}$ )和力学不稳定区($\rho (0) = 0.06\;{{\rm{fm}}^{ - 3}}$ )的两个初态的受激原子核体系${}^{208}{\rm{Pb}}$ 在平均场作用下的时间演化,其相对平均密度和相对密度涨落随时间的演化分别在图2(a)和(b)中给出。图2中虚线对应于
$\rho (0){\rm{ = }}0.06\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ 的演化,实线对应于状态$\rho (0){\rm{ = }}0.11\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ 。从图上可以看出,相对平均密度在经过一段时间的演化后趋于缓慢下降,处于力学不稳定区的初态,其相对密度随时间的演化大于处于力学稳定区的初态所对应的值,表明前者的相对变化率大于后者,两者的相对密度涨落总是随时间而增大,这一基本趋势与现有文献一致[8-9],预示着不稳定性的放大和系统的可能瓦解[29]。图2(c)为原子核中心附近的密度随时间的演化,表明初始时刻处于力学不稳定区的体系在时间演化过程中,其中心位置附近密度减小的速度大于初始时刻处于力学稳定区的体系。 -
最大Lyapunov指数(LLE)是判断非线性动力学系统时空演化过程是否出现混沌的一个重要特征量,其值的大小反映的是系统在演化过程中,对于初始条件的敏感性,并与耗散系统中奇怪吸引子的出现有着密切联系。其基本定义为
$$ \lambda = \mathop {\lim }\limits_{t \to \infty } \mathop {\lim }\limits_{d(0) \to 0} \frac{1}{t}\log \left|\left|\frac{{d(t)}}{{d(0)}}\right|\right|, $$ (14) 其中
$d(t)$ 表示初始时刻相差甚微($d(t = 0) \to 0$ )的两条轨道之间的距离随时间的变化。在非线性理论的低维映射或少体问题中,$d(t)$ 定义为相差很小的两个初态在多次映射或演化过程中的相空间距离。对于多维动力学系统,其动力学演化轨道沿着不同方向的距离随时间的变化有所不同,如果沿着某个方向上的$\lambda (t) > 0$ ,就意味着沿该方向的两条轨道之间的距离会表现出指数发散。原子核碰撞是一个极其复杂的多体系统,其复杂性不仅来自于核子间的相互作用,同时也来自于人们对于多体描述的复杂性。因此,如何定义热核时空演化过程的“Lyapunov指数”或者“轨道”,以及轨道之间的“距离”,本身就具有不确定性[5, 8, 17]。如文献[5]以求解核物质相空间密度分布随时间演化的Vlasov方程为基础,模拟了分布在二维平面上的核物质仅在平均场作用下的演化。视核子的密度分布随时间的变化为“轨道”,将两个事件在同一时刻同一个格点上密度分布的差值作为两条轨道之间的“距离”,由此定义并计算了最大Lyapunov指数。文中还结合Fourier谱分析,得到了演化过程存在混沌的结论。文献[8-9]用QMD模型计算了不同温度和核子的不同初始动量分布下,热核物质演化过程中的最大Lyapunov指数,得到了它与系统的密度涨落,核物质相变以及多重碎裂之间的重要联系。此文献中定义的“两事件空间”的距离为$${{||d(}}t{\rm{)||}} = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left\{ {{{[({{{r}}_{{{i}}1}} - {{{r}}_{i2}})/{r_{{\rm{rms}}}}]}^2} + [({{{p}}_{i1}} - {{{p}}_{i2}})/{p_{\rm av}}]} \right\}}^2}} } ,$$ (15) 式中
${{{r}}_{{1}}}{{(}}{{{r}}_{{2}}}{{)}}$ 和${{{p}}_{{1}}}{{(}}{{{p}}_{{2}}}{{)}}$ 分别为在第一个事件和第二个事件中,核子${{i}}$ 的坐标和动量,${r_{{\rm{rms}}}}$ 和${p_{{\rm{av}}}}$ 分别代表核的均方根半径和核子的平均动量。按照这样的定义,我们将上述两个处于不同的稳定性条件下的受激${}^{208}{\rm{Pb}}$ 原子核作为初始状态,利用QMD模型分别计算了$\lambda (t) = \frac{1}{t}\log ||\frac{{d(t)}}{{d(0)}}||$ 随时间的变化,结果如图3中所示。图3(a)中自上而下的前两条曲线分别对应于初始温度为
$T = 6$ MeV下,密度分布为$\rho (t = 0){\rm{ = }}0.06\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ (点线)和$\rho (t = 0){\rm{ = }}0.11\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ (虚线)的初态所对应的$\lambda (t)$ 值随时间的变化,这两个初态分别位于图1中的力学稳定与不稳定区。图中还画出了系统在零温度的饱和密度$\rho (t = 0){\rm{ = }}0.16\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ (实线)下所对应的演化结果。对应每一个给定的初始密度,我们选取的两个不同事件的初始距离为$d(0) \leqslant {10^{ - 7}}$ 。另外,作为对比与参考,图中同时画出了$\lambda (t){\rm{ = 0}}$ 的参考线,且为了显示$t = 0$ 处$\lambda (t)$ 值的大小,图中横坐标左移于$t = {\rm{ - }}2.0\;{\rm{fm}}/c$ 。图中实线几乎全部位于参考线之下,亦即基态系统演化给出的近似有$\lambda (t) \leqslant {\rm{0}}$ ,当然,这表明基态原子核系统的稳定性,但从非线性动力学的角度来理解,恰好表现了核子在平均作用下的时空演化对于初始分布的不敏感性(LLE小于零),即运动的“规则性”。从这些初始状态所对应的$\lambda (t)$ 可以看出:在演化的开始阶段,两个非基态的初态对应的$\lambda (t)$ 小于零且相差不大,但很快就变为大于零,在大约从$t \approx {\rm{10}} \;{\rm{fm}}/c$ 到$t{\rm{ > 80}} \;{\rm{fm}}/c$ 的时间内,从力学不稳定区出发的初态对应的$\lambda (t)$ 明显大于其他初态对应的$\lambda (t)$ 值。图3(b)是$t = 250\;{\rm{fm}}/c$ 的时刻对应的$\lambda (t{\rm{ = 250}}\;{\rm{fm/}}c)$ 值随初态密度的变化,清楚地显示出密度越是接近饱和核密度值,对应的$\lambda (t)$ 就越接近于零。在时间大约到$t{\rm{ > 250}} \;{\rm{fm}}/c$ 之后,由于碎块已经形成,即在原子核freeze out之后,不同碎块之间的相互作用基本消失,$\lambda (t)$ 均变为接近于零的稳定值,这一时间尺度与文献[5-9]所考察的时间范围一致。这些特征充分证实了Wang等[8]、Zhang等[9]定义在“事件空间”的LLE是一个好的物理量,不仅能够表征多重碎裂的非线性动力学机制,它随时间的变化还可以清楚地显示出中能重离子碰撞过程中单体耗散对于系统初始空间分布的敏感性。另外,按照前述定义Lyapunov指数的基本思想,我们在分析初始状态的分布密度随时间的演化时,直接计算了
$s(t{\rm{) = }}\dfrac{1}{t}\log ||\frac{{D(t)}}{{D(0)}}||$ 随时间的变化,这里${\rm{||}}D(t){\rm{||}} = \sqrt {\sum\limits_{i,j = 1}^N {{{\left\{ {{{[({{{r}}_i} - {{{r}}_j})/{r_{{\rm{rms}}}}]}^2} + [({{{p}}_i} - {{{p}}_j})/{p_{{\rm{av}}}}]} \right\}}^2}} } $ ,其中
${r_{{\rm{rms}}}}$ 和${p_{{\rm{av}}}}$ 与(15)式相同。结果如图4所示。图4显示处于力学不稳定区的初态,即$\rho (0){\rm{ = }}0.06\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ 对应的$s(t)$ 值随时间的变化,在系统演化的初始阶段大于零,表明此时核子的“轨道之间的指数分离”。而处于力学稳定区的初态,$\rho (t = 0){\rm{ = }}0.11\;{\rm{f}}{{\rm{m}}^{ - 3}}$ 对应的$s(t)$ 值,在核反应的有效时间范围内($t <{\rm{ 250}} \;{\rm{fm}}/c$ )小于零,表明并不存在指数分离。但是,在系统经历较长时间的演化后,两者均表现为近似等于零的值,反映出是同一个原子核内的核子(或不同碎块)之间相互作用的消失。
Dynamic Evolution of Excited Finite Nuclei under Mechanical Instability and Deterministic Chaos
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摘要: 以208Pb为例,研究了不同热力学稳定条件下有限核体系单体耗散的非线性特征。首先,给出了该原子核在不同温度下的压强密度相图以及相图中的力学不稳定区(Spinodal region),在相图中属于不同稳定性区域的温度和密度值下,抽取了208Pb中各核子的坐标和动量,然后,将其作为量子分子动力学(QMD)模型的初始值,模拟受激有限原子核体系仅在平均场作用下的时空演化,分析不同初始分布所对应的系统在时空演化过程中核子的空间分布、密度涨落等随时间的演化特征,重点对比分析了对应于相图中不同区域的初始208Pb原子核在演化过程中的不同表现特征;通过对定义在事件空间和定义在相空间的准Lyapunov指数的计算,清楚地显示,在力学不稳定的条件下,平均场动力学对于核子空间分布的敏感依赖性,定量地揭示了反应动力学中单体耗散的非线性混沌特征,进一步证实了中能重离子碰撞中多重碎裂的混沌机制。Abstract: In the present paper the nonlinear characteristics of one-body dissipative of an excited finite nucleus has been studied by simulating the evolution of the nucleus 208Pb within the Quantum Molecular Dynamics (QMD) model . First, the phase diagram of the nucleus and the spinodal region were determined by computing the single particle energy and chemical potential. Then the position and momentum of each nucleons in the 208Pb were sampled according to uniform and fermi distribution respectively. After such preparation, taking these distributions as initial sates of QMD model, we simulated the evolution of the system in the action of the mean field with no collision term. The variation of the density and the fluctuation of the nucleons distribution have been analyzed. Our main attention paid on the comparison of the behavior of such quantities for the system started from 208Pb with different initial states. The sensitivity of the mean field dynamics on the initial space distribution of nucleons are demonstrated by calculating the Lyapunov exponents defined respectively in events space and phase space. The nonlinear dynamical mechanism of the one-body dissipation, and thus the multifragmentation of heavy-ion collisions at intermediate energy have been confirmed further. The conclusion is helpful for us both to understand the dynamical mechanism of the heavy-ion reactions and to extend our knowledge about the nonlinear dynamics.
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Key words:
- finite mucleus /
- mechanical unstability /
- fragmentation /
- deterministic chaos
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