Гига́нтский дипо́льный резона́нс, высокоэнергичное коллективное возбуждение атомных ядер, при котором протоны совместно колеблются относительно нейтронов. Представляет собой универсальное и фундаментальное ядерное возбуждение, присущее всем ядрам с числом нуклонов больше трёх; наиболее ярко проявляется в фотоядерных реакциях. Изучение гигантского дипольного резонанса сыграло исключительную роль в понимании структуры и динамики атомных ядер.

Гигантский дипольный резонанс был предсказан А. Б. Мигдалом в 1945 г. и впервые наблюдался в экспериментах, выполненных в США в 1947–1948 гг. Дж. К. Болдуином и Дж. Клайбером. Важность сделанного открытия состояла в том, что было обнаружено первое коллективное возбуждение ядер – ядерный резонанс, возникающий за счёт скоррелированного движения больших групп протонов и нейтронов ядра.

В гигантском дипольном резонансе все протоны ядра синхронно колеблются с частотой $\sim 10^{22}$ Гц относительно всех нейтронов, образуя своеобразный колеблющийся диполь ядерных размеров ($10^{-13} \text{--} 10^{-12}$ см). Такие колебания возникают при поглощении ядром фотона с энергией около 20 МэВ и совершаются вдоль направления электрического поля фотона. Фотоны с такими энергиями имеют длину волны, значительно превышающую размеры атомного ядра. Поэтому их электрическое поле в каждый момент времени практически одно и то же в различных точках ядра, что вызывает совместное смещение и колебание протонов относительно нейтронов с частотой внешнего поля. Каждое ядро имеет резонансную частоту подобных колебаний, которая отвечает энергии гигантского дипольного резонанса этого ядра. Резонанс затухает посредством выброса из ядра протона или нейтрона. Масштаб этого явления на шкале ядерных и нуклонных энергий возбуждения схематически показан на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость вероятности возбуждения фотонами атомных ядер и свободных нуклонов от энергии фотона.Рис. 1. Зависимость вероятности возбуждения фотонами атомных ядер и свободных нуклонов от энергии фотона.На графике зависимости эффективных сечений $\sigma$ фотоядерных реакций от величины энергии фотонов $E_{\gamma}$ в экспериментах с невысоким энергетическим разрешением гигантский дипольный Рис. 2. Зависимость эффективных сечений фотоядерных реакций с вылетом нейтрона от энергии налетающего фотона для разных ядер.Рис. 2. Зависимость эффективных сечений фотоядерных реакций с вылетом нейтрона от энергии налетающего фотона для разных ядер.резонанс имеет вид широкого (4 –20 МэВ) резонанса, положение максимума которого меняется примерно от 25 МэВ в лёгких ядрах до 13 МэВ в тяжёлых (рис. 2).

В экспериментах с высоким разрешением обнаружена (особенно у лёгких ядер) структура гигантского дипольного резонанса – его расщепление на более узкие, частично перекрывающиеся резонансы.

Гигантский дипольный резонанс принадлежит к многочисленному семейству т. н. мультипольных гигантских резонансов, возбуждаемых в ядрах реальными или виртуальными фотонами с разными угловыми моментами и чётностью. Особая роль гигантского дипольного резонанса в этом семействе связана с тем, что он наиболее прост для экспериментального исследования и служит уникальной платформой для тестирования теоретических подходов к описанию коллективных ядерных возбуждений высокой энергии.

Экспериментальные данные о гигантском дипольном резонансе получают на ускорителях электронов, используя либо тормозное гамма-излучение, либо различные методы монохроматизации высокоэнергичных гамма-квантов. Эти данные в той или иной степени получены практически для всех стабильных ядер и систематизированы в ряде международных информационных изданий.

Возбуждение гигантского дипольного резонанса начинается с передачи энергии фотона одному из нуклонов ядра. Если далее происходит вылет этого нуклона из ядра без обмена энергией с другими нуклонами, то это отвечает наиболее быстрому (за $\sim 10^{-21}$ с) распаду гигантского дипольного резонанса, называемому полупрямым. Если же возбуждённый нуклон обменивается энергией с другими нуклонами ядра, то этот процесс может достичь стадии теплового равновесия (стадии составного ядра). В этом случае распад гигантского дипольного резонанса завершается «испарением» нуклонов из нагретой ядерной жидкости и происходит за время $10^{-19} \text{--} 10^{-18}$ с. В лёгких ядрах важен полупрямой механизм реакции, в тяжёлых – доминирует распад на стадии составного ядра.

Для описания гигантского дипольного резонанса использовались различные теоретические модели. Исторически первыми моделями гигантского дипольного резонанса были коллективные модели ядра. Среди этих моделей наиболее удачной оказалась предложенная А. Б. Мигдалом в 1945 г. гидродинамическая модель, в которой ядро рассматривается как совокупность взаимопроникающих протонной и нейтронной жидкостей. При возбуждении гигантского дипольного резонанса происходит динамическое разделение центров тяжести этих жидкостей с изменением их плотностей, но с сохранением их суммарной плотности. Эта модель предсказывала обратную пропорциональность между энергией $E_m$, соответствующей максимуму гигантского дипольного резонанса, и радиусом ядра $R$ или, что то же самое, $E_m \sim A^{–1/3}$, где $A$ – число нуклонов в ядре. С вычисляемым коэффициентом пропорциональности 75–80 это соотношение хорошо воспроизводит положение максимума гигантского дипольного резонанса в МэВ для большинства ядер. Следствием гидродинамической модели ядра является наблюдаемый экспериментально эффект расщепления гигантского дипольного резонанса сильно деформированных ядер на два резонанса, отвечающие противофазным протон-нейтронным колебаниям вдоль короткой и длинной осей ядерного эллипсоида (см. график для ядра ¹⁶⁵Но на рис. 2).

Гигантский дипольный резонанс был успешно описан и в рамках микроскопических моделей, наиболее известной из которых является оболочечная модель ядра. В рамках этой модели гигантский дипольный резонанс формируют переходы нуклона из внешней занятой нуклонами оболочки в ближайшую свободную. Учёт той части нуклон-нуклонного взаимодействия, которая не даёт вклад в среднее ядерное поле, позволил понять, как из отдельных межоболочечных однонуклонных переходов образуется дипольное состояние, имеющее коллективный характер, т. е. сам гигантский дипольный резонанс. Полупрямой распад гигантского дипольного резонанса отвечает распаду дипольного состояния посредством вылета нуклона из ядра. Передача энергии дипольного состояния другим нуклонам ядра за счёт различных механизмов трения завершается вылетом из ядра нуклонов на более поздних стадиях распада гигантского дипольного резонанса – стадии установления теплового равновесия и стадии составного ядра. Развитие теории гигантского дипольного резонанса оказало огромное влияние на формирование современных представлений о динамике ядра.

Важной, до конца не решённой проблемой является проблема ширины и структуры гигантского дипольного резонанса. Ширина гигантского дипольного резонанса варьируется от 4 до 20 МэВ и, особенно в лёгких ядрах, резко меняется от ядра к ядру. Форма графика зависимости сечения фотоядерных реакций от энергии налетающего фотона также весьма разнообразна и содержит структурные элементы различного масштаба: гросс-структуру шириной 3–5 МэВ, промежуточную структуру шириной 0,5–2,0 МэВ и тонкую структуру шириной 0,05–0,1 МэВ. Промежуточная структура возникает на самой первой, полупрямой стадии распада гигантского дипольного резонанса и отражает разнообразие межоболочечных однонуклонных переходов. Тонкая структура возникает при распаде гигантского дипольного резонанса на более поздних стадиях его существования, когда энергия фотона, поглощённого ядром, за счёт трения делится среди группы нуклонов. Проще всего идентифицируется природа гросс-структуры гигантского дипольного резонанса, и она для многих ядер уже надёжно установлена. Существуют три источника гросс-структуры: несферичность ядра, конфигурационное расщепление гигантского дипольного резонанса и расщепление, обусловленное спецификой изотопического спина. Несферичность отчётливо проявляется в структуре гигантского дипольного резонанса тяжёлых, сильно деформированных ядер, таких, например, как ¹⁶⁵Но. Для этих ядер другие источники гросс-структуры несущественны. Конфигурационное и изоспиновое расщепления гигантского дипольного резонанса важны для ядер с числом нуклонов до 60–70, причём во многих случаях они, перекрываясь, дополняют друг друга.

Конфигурационное расщепление определяет гросс-структуру гигантского дипольного резонанса ядер с незаполненной внешней оболочкой, а таких ядер подавляющее большинство. У этих ядер возбуждаются две компоненты гигантского дипольного резонанса, сдвинутые по энергии друг относительно друга. Одна (с меньшей энергией) компонента соответствует переходам нуклонов из частично заполненной внешней оболочки в следующую свободную оболочку, а другая (с большей энергией) – из полностью заполненной внутренней оболочки в частично заполненную внешнюю оболочку. Расщепление центров тяжести этих компонент в лёгких ядрах достигает 15–20 МэВ.

Изоспиновое расщепление гигантского дипольного резонанса проявляется у ядер с числом нейтронов, не равным числу протонов. У таких ядер формируются две сравнимые по интенсивности компоненты гигантского дипольного резонанса, различающиеся значением изотопического спина: с меньшей энергией и изоспином, равным изоспину основного состояния ядра, и с большей энергией и на единицу бо́льшим изоспином. Величина изоспинового расщепления может составлять 5–10 МэВ. С учётом конфигурационного и изоспинового расщеплений удаётся объяснить разнообразие форм и ширин гигантского дипольного резонанса лёгких ядер, достигающих 20 МэВ. У магических ядер и ядер с равными числами протонов и нейтронов конфигурационное и изоспиновое расщепления отсутствуют и ширина их гигантских дипольных резонансов минимальна – 4–5 МэВ.

Гигантский дипольный резонанс изучается около 80 лет. За это время проведены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования; физика этого уникального ядерного явления понята достаточно хорошо. Аналоги гигантского дипольного резонанса спустя несколько десятилетий после его открытия были обнаружены в таких многочастичных неядерных системах, как атомы, металлические кластеры и фуллерены. Во всех этих объектах гигантский резонанс имеет вид сильного и широкого пика, соответствующего коллективному возбуждению многих частиц. Более того, основные теоретические подходы, используемые для описания гигантских резонансов в этих системах, прямо унаследованы из ядерной физики.