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在局部密度近似的Skyrme能量密度泛函理论下,原子核的能量是哈密顿量
$ H(r) $ 在空间上的积分,该哈密顿量由单体密度矩阵$ \rho $ 和配对张量$ \kappa $ 组成[6],$$E = \int {{{\rm{d}}^3}} r{\cal H}(r)\;,$$ (1) 哈密顿量密度是由动能项密度
$ \tau(r) $ 、势能项密度$ \chi_{t} $ 和配对项密度$ \tilde{\chi}_{t} $ 组成的[1]$${\cal H}[\rho ,\kappa ] = \frac{{{\hbar ^2}}}{{2m}}\tau (r) + \sum\limits_{t = 0,1} {{\chi _t}} (r) + \sum\limits_{t = 0,1} {{{\tilde \chi }_t}} (r)\;,$$ (2) 指标
$ t $ 分别表示能量密度的同位旋标量项$ (t = 0) $ 和同位旋矢量项$ (t = 1) $ 。配对项能量密度
$ \tilde{\chi} $ 是配对张量$ \kappa $ 的函数。在粒子-粒子通道中,我们采用密度依赖的$ \delta $ 配对相互作用。$ \delta $ 对力有如下形式[13]:$$V({r_1},{r_2}) = {V_0}\left[1 - \eta {\left(\frac{\rho }{{{\rho _0}}}\right)^\gamma }\right]\delta ({r_1} - {r_2})\;,$$ (3) 其中:
$ V_{0} $ 是中子(n)之间或质子(p)之间的配对强度;$ \rho $ 是总核子密度;$ \rho_{0} $ 是饱和密度,取固定值为0.16 fm–3;在我们的计算中$ \gamma = 1 $ 。根据$ \eta $ 的选择的不同,我们可以得到不同的对力。$ \eta $ = 0,0.5和1分别对应着体积对力、混合对力和表面对力。当$ \eta = 0 $ 时是体积对力,意味着没有明显的密度依赖,主要是在核体积内起作用。当$ \eta = 1 $ 是表面对力,对核表面比较敏感,会在核表面周围产生一个配对场。而$ \eta = 0.5 $ 是体积对力和表面对力两种对力的混合。Lipkin-Nogami方法,可以近似地恢复粒子数为好量子数,它的做法相当于在能量项上增加一个二阶的Kamlah校正来修正能量E[12, 14]:
$$E \to E - {\lambda _2}\langle \Delta {\hat N^2}\rangle \;,$$ (4) 其中
$ \langle\Delta\hat{N}^{2}\rangle = \langle\hat{N}^{2}\rangle-\langle\hat{N}\rangle^{2} $ 。然而,系数$ \lambda_{2} $ 不是拉格朗日乘子,它取决于波函数和哈密顿函数[12, 15-16]$${\lambda _2} = \frac{{{G_{{\rm{eff}}}}}}{4}\frac{{Tr'(1 - \rho )\kappa Tr'\rho \kappa - 2Tr{{(1 - \rho )}^2}{\rho ^2}}}{{{{[Tr\rho (1 - \rho )]}^2} - 2Tr{\rho ^2}{{(1 - \rho )}^2}}}\;,$$ (5) 其中
${G_{{\rm{eff}}}}$ 是有效强度,${G_{{\rm{eff}}}} = - \frac{{{{\bar \Delta }^2}}}{{{E_{{\rm{pair}}}}}}$ (${E_{{\rm{pair}}}}$ 是对能)。如果要得到确定粒子数的波函数,需要使用粒子数投影,中子数投影算符可以写为[1, 14, 17]$${\hat P_N} = \frac{1}{{2\pi }}\int_0^{2\pi } {\rm{d}} {\phi _N}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}{\phi _N}(\hat N - N)}}\;,$$ (6) 质子也有类似的表达式。总之,通过任意一个波函数
$ |\varPsi\rangle $ 可以获得$ N $ 和$ Z $ 的本征态$ |\varPhi(N,Z)\rangle $ [6]$$|\varPhi (N,Z)\rangle = {\hat P_N}{\hat P_Z}|\varPsi \rangle \;,$$ (7) 从HFB或HFBLN计算得到的波函数开始,通过使用
$ \hat{P}_{N}\hat{P}_{Z} $ 可以构造一个具有明确粒子数的波函数,并计算出能量:$${E^N}[\rho ,\kappa ] = \frac{{\langle \varPhi |H{P^N}|\varPhi \rangle }}{{\langle \varPhi |{P^N}|\varPhi \rangle }} = \frac{{\int {\rm d} \phi \langle \varPhi |H{{\rm e}^{{\rm i}\phi (\hat N - N)}}|\varPhi \rangle }}{{\int {\rm d} \phi \langle \varPhi |{{\rm e}^{{\rm i}\phi (\hat N - N)}}|\varPhi \rangle }},$$ (8) 由于波函数
$ |\varPsi\rangle $ 是经过变分求解HFB或HFBLN的方程得到的,这个投影计算,被称为变分后投影。 -
在这个工作中,我们主要运用能量密度泛函理论,讨论对相互作用对原子核形变的影响。使用的参数是SkM*参数[18],计算程序采用了HFBTHO(v2.00d)[19]。在本工作的不同对关联处理(HFB/HFBLN)的密度泛函计算中,中子的对力强度均通过拟合120Sn的经验对能隙1.245 MeV得到,而质子的对力强度取为和中子的对力强度相等。在计算中选取20个谐振子壳,对窗截断能量为60 MeV。为讨论对关联对于结合能和位能曲面计算的影响,我们分别讨论了双幻核、开壳核及超重核。接下来,我们对这些核进行分别讨论。
原则上,对于不同核区,需要拟合不同的对力强度参数。我们在这个工作当中,作为测试,如无特别说明,均采用针对120Sn拟合得到的对力参数。为比较重新拟合对力的效应,我们还使用五点公式[20]计算了48Cr, 56Fe的对能隙,见表1,并根据该数据调整了对力强度,见表2,并做了相应的对比计算。
表 1 根据五点质量公式计算得到的对能隙
单位:MeV 核素 $\Delta^{(5)}$(n) $\Delta^{(5)}$(p) 48Cr 2.135 2.128 56Fe 1.425 1.572 表 2 拟合的对力强度
单位:MeV 核素 混合对力 体积对力 表面对力 48Cr HFB 中子 –315.073 5 –203.241 5 –535.861 5 质子 –324.543 5 –215.342 5 –542.186 5 HFBLN 中子 –297.924 5 –192.961 5 –521.304 5 质子 –307.863 5 –202.566 5 –526.589 5 56Fe HFB 中子 –310.806 5 –203.649 5 –521.891 5 质子 –320.532 5 –207.204 5 –566.108 5 HFBLN 中子 –279.358 5 –179.105 5 –501.782 5 质子 –296.074 5 –189.153 5 –546.122 5 120Sn HFB 中子 –234.807 5 –154.683 6 –456.212 5 质子 –234.807 5 –154.683 6 –456.212 5 HFBLN 中子 –231.814 8 –146.832 3 –455.252 2 质子 –231.814 8 –146.832 3 –455.252 2 $$\begin{split} {\Delta ^{(5)}}(N) =& \frac{1}{8}\big[B(N + 2,Z) - 4B(N + 1,Z) + 6B(N,Z)-\\ & 4B(N - 1.Z) + B(N - 2,Z)\big], \end{split}$$ (9) 其中
$ B(N,Z) $ 是指一个有$ (N,Z) $ 个粒子的系统的(负)结合能。所求核子的中子对能隙,按照五点质量公式需要该核子及其质子数相同中子数前后各两个的核素的结合能来进行计算。质子对能隙有相同的公式。 -
我们分别对不同质量区的几个核进行计算分析,选取了轻核区16O和40Ca,中等质量区100Sn,以及重核区208Pb,相应的计算结果分别见图1~4。在这些图中,我们测试了几种不同的对力如体积对力、表面对力及混合对力,并展示了几种不同对关联近似的结果,包括HFB近似、HFBLN以及在HFBLN基础上做粒子数投影的PLN计算,也对比了不包含对关联的HF近似。
在图1展示了16O中使用不同对关联处理的结果,其中(a),(b)和(c)分别是使用混合对力、体积对力及表面对力的结果。这些双幻核基态均为球形,因此这些计算得到的位能面的最小点都在
$ \beta_{20} = 0 $ 处。首先可以对比一下HF和HFB近似,对双核核16O,在球形及球形附近的情况下HFB得到的对能隙为0,等同于HF计算,因此两个能量相同。HFBLN近似下,对能隙均不为0,所以在球形附近,HFBLN由于对关联的影响,能量要低于HF和HFB。在HFBLN的基础上进一步做投影(PLN),可以进一步得到关联能,使得能量进一步降低。此外,可以明显地发现,在位能面最小值,也就是球形形状附近,PLN的能量相比于其它对关联来讲,降低得更多,这与文献[14]结果一致。观察这几个位能曲面,也可以发现,HF的最小点最明显,而HFB、HFBLN、PLN得到的曲线的最小点附近升高的趋势逐渐变缓。比较不同对力的计算可以发现,体积对力和混合对力的结果比较接近,而表面对力的结果和它们有明显的区别。无论是HFB还是HFBLN的结果,表面对力的势能曲线都要低于混合对力与体积对力的势能曲线,而混合对力的势能曲线又低于体积对力的势能曲线。
对于40Ca而言,在图2中同样地可以看出,在表面对力形式下,HF、HFB、HFBLN之间有明显的差距。而混合对力和体积对力形式下,在
$ \beta_{20} $ = 0的附近才看到明显的区分。势能曲线的情况是HFBLN要低于HFB,而HFB的低于HF的。从图1的16O、图2的40Ca到图3的100Sn,对比后可以发现,随着质量数的增加,由轻核到中等质量核的原子核势能曲线在不同的对关联处理方法上的差距越来越不明显,混合对力、体积对力与表面对力之间的差距越来越小。HF、HFB、HFBLN之间也在缩小差距。
此外,对于重核208Pb,从图4可以看到,势能曲线有两个极小点,最低点的位置仍是
$ \beta_{20} $ = 0处。在两个较小点之间的位垒,HFB、HFBLN、PLN相比于HF的结果,逐渐降低。表面对力的结果相对于混合对力及体积对力的位垒降低得更加明显一些。 -
在表2可以看到,由于核子数相近,Cr、Fe核区的对力强度相近,与120Sn拟合得到的对力强度相比偏大。接下来,我们使用了重新拟合的48Cr的对力强度计算分析了典型的形变核48Cr,结果见图5。整体来讲,趋势和幻数核的类似,也可以看到,不同对关联处理方法,形变极小点的位置比较接近,而形变极小点的软度(softness)有较明显的差别,HFB、HBLN的势能面形变极小点均偏软,而PLN的势能面极小点又比HFB及HFBLN的偏硬。不同的对力形式下,不同对关联近似在使用体积对力的条件下它们之间的势能曲线的差距最小,其次是混合对力、表面对力的差距最大;在同一种对关联处理中表面对力的势能曲线最低,其次是混合对力的,最高的是体积对力的势能曲线。
我们又根据重新拟合的48Cr和56Fe的对力强度计算了Cr和Fe的同位素链的结合能。从图6可以看出,对于同位素链而言,随着中子数的增加,原子核Cr和Fe的结合能增加的速率随着靠近中子滴线而逐渐减小。不同对处理的结果在这幅图中并不明显,因此我们进一步给出了结合能的理论值和实验值的差值,见图7。对于结合能的差值而言,我们对比了两种不同的对力强度,分别是根据120Sn与根据48Cr调整的对力强度的比较,以及根据120Sn与56Fe调整的对力比较。从图中可以看出,基于120Sn的对力强度下的结合能差的绝对值要普遍地小于48Cr和56Fe对力强度下的结合能差的绝对值。
在此基础上我们又计算了Cr和Fe同位素链的双中子分离能,发现在实验上幻数核及其附近核素的双中子分离能下降的趋势都比较平滑,没有发生较为明显的突变,理论值也是相似的变化。尤其是包含对关联之后,对该分离能趋势的描述更加合理。如图8所示。
从结合能的理论值和实验值的差值上分析可以看出,HF的情况起伏变化较大。可以看到,HFB、HFBLN、PLN相较于HF的结果,降低了4~18 MeV,其中降低最多的是PLN的能量,HFBLN的结果和PLN的结果比较接近。也可以看到,HFB、HFBLN、PLN的曲线相对于HF的,并不是简单的平移,有些地方,尤其是在幻数出现的附近,如中子数为20,有比较大的变化,这说明了对关联的引入对于基态结构影响较大,影响了形变组态。对于同一种处理方式,混合对力和体积对力的结合能差的绝对值要小于表面对力的结合能差的绝对值,更加接近于实验值,似乎混合对力和体积对力的描述效果优于表面对力。
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对可能的超重稳定岛中心的核素298Fl,质子、中子都处于闭壳,我们也计算了它的位能面,见图9。298Fl的所有计算的位能面的最低点在
$ \beta_{20} = 0 $ 处,在较大形变处会出现另外一个极小点。整体结果,包括对关联带来的修正能量均和图4的208Pb类似。球形极小点时,HFB近似由于对能隙为0,退回了HF近似,而在形变较大时对能隙不为0,带来了一定的关联能量,并使得位垒降低,且在使用表面对力的时候降低得最多。
Effect of Different Pairing Correlations on the Description of Nuclear Deformations within Energy Density Functional Framework
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摘要: 在Skyrme能量密度泛函理论的框架下,研究了不同对关联处理近似,如Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB)、Hartree-Fock-Bogoliubov Lipkin-Nogami (HFBLN)及在HFBLN基础上考虑粒子数投影,对于原子核势能曲面计算及基态结合能的影响。同时,也研究了不同对力,如体积对力、表面对力及混合对力对结果的影响。研究的对象为典型的双幻核16O,40Ca,100Sn和208Pb,它们的基态为球形;还有典型的形变核48Cr,也研究了相应的Cr和Fe同位素链的结合能,最后讨论了对超重核298Fl的势能面计算。研究发现,对关联基本不改变形变极小点,但是由于对关联能的引入,对结合能会带来几个MeV的修正能量,HFB、HFBLN及投影计算的修正能量逐渐递增。对关联可以改变位能面最小点附近曲线的软度,使得形变较小点变浅,而在HFBLN基础上考虑粒子数投影,又可以让形变极小点变得更加明显。对关联也降低了位垒高度。在相同对关联处理近似下,混合对力与体积对力计算的势能面结果相接近,表面对力带来了更多的对关联能,对关联的效果更加显著。Abstract: In this paper, using the Skyrme energy density functional theory, we have investigated the effect of different treatment of pairing correlations,
$e.g.$ , Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB), Hartree-Fock-Bogoliubov Lipkin-Nogami (HFBLN), and particle number projection on HFBLN,$etc.$ , on the potential energy surface (PES) calculations and ground-state energy. We also tested the effect of different pairing force, such as volume-pairing, surface-pairing, mixed-pairing force. We studied typical doubly-magic nuclei, such as 16O, 40Ca, 100Sn and 208Pb, which have spherical shape in their ground states. We studied the typical deformed nucleus 48Cr, and the binding energies of Cr and Fe isotopes. The PES of superheavy nucleus 298Fl is also studied. It is learned that the deformed minimum is not changed much by different pairing correlations. The pairing correlations bring about several MeV to the total binding energies. The correlation energy brought by HFBLN is more than that by HFB approximation, and that by projection method increases further. The softness of the deformed minimum is also changed by pairing correlations. The one by HFBLN is softer than the one by HFB. However, the deformed minimum become explicit by projection method. Pairing correlation can lower down the barrier in the PES. In the same approximation of the pairing correlation, PES results calculated by mixed-pairing and volume-pairing force are similar. It seems that in the PES calculations, the surface pairing force can bring more pairing correlations, thus the effect of surface pairing force is larger than that of volume- and mixed-pairing forces.-
Key words:
- energy density functional /
- potential energy surface /
- pairing correlation
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表 1 根据五点质量公式计算得到的对能隙
单位:MeV 核素 $\Delta^{(5)}$ (n)$\Delta^{(5)}$ (p)48Cr 2.135 2.128 56Fe 1.425 1.572 表 2 拟合的对力强度
单位:MeV 核素 混合对力 体积对力 表面对力 48Cr HFB 中子 –315.073 5 –203.241 5 –535.861 5 质子 –324.543 5 –215.342 5 –542.186 5 HFBLN 中子 –297.924 5 –192.961 5 –521.304 5 质子 –307.863 5 –202.566 5 –526.589 5 56Fe HFB 中子 –310.806 5 –203.649 5 –521.891 5 质子 –320.532 5 –207.204 5 –566.108 5 HFBLN 中子 –279.358 5 –179.105 5 –501.782 5 质子 –296.074 5 –189.153 5 –546.122 5 120Sn HFB 中子 –234.807 5 –154.683 6 –456.212 5 质子 –234.807 5 –154.683 6 –456.212 5 HFBLN 中子 –231.814 8 –146.832 3 –455.252 2 质子 –231.814 8 –146.832 3 –455.252 2 -
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