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Risonanza gigante di dipolo

Tutti i protoni che oscillano contro tutti i neutroni: la risonanza gigante di dipolo (GDR), modo collettivo isovettoriale E1. Modello idrodinamico a due fluidi (Goldhaber–Teller / Steinwedel–Jensen), sdoppiamento nei nuclei deformati e sezione d'urto di fotoassorbimento. Energie e sistematica dal backend Python (via gw2py).

Un fotone di ~10–25 MeV mette il fluido dei protoni a oscillare contro quello dei neutroni: il picco dominante del fotoassorbimento nucleare, che nei nuclei deformati si sdoppia.

La risonanza gigante di dipolo: tutti i protoni che oscillano contro tutti i neutroni (modo collettivo isovettoriale E1).

Due fluidi in controfase

Un fotone di ~10–25 MeV mette il fluido dei protoni a oscillare contro quello dei neutroni: si crea un momento di dipolo oscillante che assorbe la radiazione. È la risonanza gigante di dipolo (GDR), il picco dominante della sezione d'urto di fotoassorbimento.

Goldhaber–Teller vs Steinwedel–Jensen

  • Goldhaber–Teller (1948): due sfere rigide (protoni, neutroni) che traslano l'una contro l'altra; forza di richiamo dall'energia di simmetria → \(E\propto A^{-1/6}\) (oscillatore armonico).
  • Steinwedel–Jensen (1950): i due fluidi si compenetrano e la densità isovettoriale oscilla dentro il volume fisso → onda stazionaria di dipolo, \(E\propto A^{-1/3}\).

La sistematica sperimentale sta a metà strada e si riassume in:

\[ E_{\rm GDR} = 31.2\,A^{-1/3} + 20.6\,A^{-1/6}\ \text{MeV}, \]
I due termini sono esattamente Steinwedel–Jensen (\(A^{-1/3}\)) e Goldhaber–Teller (\(A^{-1/6}\)). Larghezza \(\Gamma\simeq 1.11\sqrt{E}\) MeV.

Sdoppiamento per deformazione

In un nucleo deformato l'oscillazione lungo l'asse lungo (frequenza bassa) è diversa da quella perpendicolare (alta): la GDR si sdoppia in due picchi. La separazione è proporzionale alla deformazione:

\[ E_b-E_a = 11.1\,|\beta_2|\ \text{MeV},\qquad E_a+2E_b=3E_{\rm GDR}, \]

col modo perpendicolare (\(E_b\)) di peso doppio (due assi degeneri). È il legame diretto con la deformazione delle pagine nucleo collettivo e fissione: la stessa forma prolata che lì ruota e fissiona, qui sdoppia la risonanza.

Regola di somma TRK

\[ \int \sigma_{\rm abs}\,dE \simeq 60\,\frac{NZ}{A}\ \mathrm{MeV\,mb}\quad(+{\sim}20\%). \]
Nucleo
I nuclei sferici hanno un picco solo; i deformati sdoppiano la risonanza.
Metodo

Il backend calcola le energie dalla sistematica \(31.2A^{-1/3}+20.6A^{-1/6}\), lo sdoppiamento \(11.1|\beta_2|\), le larghezze \(1.11\sqrt{E}\) e la somma TRK. Nella visualizzazione i due ellissoidi (protoni in blu, neutroni in arancio) oscillano in controfase; per i deformati scegli l'asse. La sezione d'urto è una (o due) Lorentziane.

Due fluidi in controfase
protoni neutroni
velocità trascina per ruotare · rotella per zoom
Sezione d'urto di fotoassorbimento
Deformazione β₂
Picco/i GDR
Larghezza Γ
Somma TRK
Modo

La funzione speciale nascosta, i fili con le altre pagine, e i limiti del modello idrodinamico.

La funzione speciale: Bessel sferica j₁

Nel modello di Steinwedel–Jensen la densità isovettoriale soddisfa l'equazione di Helmholtz dentro il nucleo; il modo di dipolo (\(\ell=1\)) è una funzione di Bessel sferica \(j_1(kr)\), e la condizione al contorno (corrente nulla in superficie) fissa la frequenza al primo zero della derivata: \(j_1'(kR)=0\Rightarrow kR=2.0816\), da cui \(E_{\rm SJ}\propto 1/R\propto A^{-1/3}\). È la stessa famiglia di Bessel dei punti critici E(5)/X(5); il modello di Goldhaber–Teller è invece l'oscillatore armonico della pagina armonico.

Firma sperimentale della forma

Un picco = nucleo sferico; due picchi con rapporto d'area ~2:1 = nucleo deformato assialsimmetrico. La sezione d'urto di fotoassorbimento è quindi un misuratore diretto della deformazione nucleare, complementare alla spettroscopia rotazionale della pagina collettiva.

Cosa manca (onestà)

Il modello a due fluidi è idrodinamico (macroscopico): riproduce energie e sdoppiamento ma non la larghezza né la struttura fine. La descrizione microscopica è la RPA (sovrapposizione di eccitazioni particella-buca) o la TDHF dipendente dal tempo, che danno il damping e la frammentazione — fuori portata per un'anteprima browser, ma eseguibili dal backend di produzione. La larghezza qui è presa dalla sistematica \(\Gamma=1.11\sqrt{E}\).

Riferimenti

  1. M. Goldhaber, E. Teller, «On Nuclear Dipole Vibrations», Phys. Rev. 74, 1046 (1948). doi.
  2. H. Steinwedel, J. H. D. Jensen, Z. Naturforsch. A 5, 413 (1950).
  3. G. C. Baldwin, G. S. Klaiber, Phys. Rev. 71, 3 (1947); 73, 1156 (1948).
  4. B. L. Berman, S. C. Fultz, «Measurements of the giant dipole resonance…», Rev. Mod. Phys. 47, 713 (1975). doi.
  5. R. B. Firestone, «The Origin of the Giant Dipole Resonance», arXiv:2009.03356 (2020) — sdoppiamento \(11.1|\beta_2|\).

WebNIR · IFAC-CNR  |  interfaccia dimostrativa — energie e sistematica dal backend Python (gw2py).

Keywords: risonanza gigante di dipolo, GDR, due fluidi, Goldhaber-Teller, Steinwedel-Jensen, fotoassorbimento, sdoppiamento, regola di somma TRK