原子核

​基本简介

原子核（atomic nucleus)简称“核”。位于原子的核心部分，由中子和质子2种微粒构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子又是由两个下夸克和一个上夸克组成。原子核极小，它的直径在10-⒖M【十的负十五次方米】]~10-⒕M【十的负十四次方米】之间，体积只佔原子体积的几千亿分之一，在这极小的原子核裏却集中了100%原子的质量。原子核的密度极大，核密度约为3⒕g/cm⒊【每立方米的地方裏有十的十四次方克核】，即1cm-⒊的体积如装满原子核，其质量将达到10 ⒏t【五的八次方吨，即7亿吨】。原子核的能量极大。构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力，能克服质子之间所带正电荷的斥力而结合成原子核，使原子在化学反应中原子核不发生分裂。当一些原子核发生裂变（原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时，会释放出巨大的原子核能，即原子能。例如核能发电。利用这一性质，方便人们的生活。整个原子不显电性，是中性。

组成部分

原子核受核力影响由质子和中子（两种重子）组成，这些重子进一步组成的亚原子粒子基本被称为夸克的约束。将质子和中子约束在原子核内的能量称作束缚能，一般而言，原子量58到62的能量的束缚能最大，此即所谓的“铁峰顶”。据目前所知，原子量小于62的元素，核聚变反应会释放能量，原子量大于62的元素，核裂变反应则释放能量。

形态探索

简述

迄今为止，已发现的稳定原子核265种，60种天然放射性核，人工合成有2400种核，然而在核素图上，由中子滴落线、质子滴落线及自裂变半衰期大于1μs的限製边界内所包围的核素应有8000余种，这表明有一大半核尚未被人们认识。根据如今的情况，考虑到可能的生成与鑒别方法，估计还可能被生成或鑒别600种左右的新核素，它们是世界各地有关实验室不惜耗费重金搜寻的目标。

然而，随着远离β稳定线，未知新核素的生成截面也越来越小，寿命越来越短，使分离、生成和鑒别的难度越来越大。远离稳定线原子核研究在核物理学中佔有特殊重要的地位。首先，这些核素具有一系列独特的性质，例如它们的中子、质子数之比异常，有的核结合能极大，有新的衰变方式，如高能β衰变、β延迟粒子发射、β延迟衰变、表面结团结构、形状共存以及中子滴落线附近核的反常大半径等。对这些独特现象的研究，有助于检验和发展现有的原子核理论。此外，现有的核结构模型，大部分是在β稳定线附近几百种核研究基础上建立起来的，如液滴模型、独立粒子核壳层模型、核集体模型等，它们都有待在远β稳定线的原子核研究中得到检验、深化与发展。随着新核素的生成与鑒别，以及随着对它们的衰变性质及核结构的研究，会不断地有新的现象被揭示，人们对核内部的结构以及运动规律的认识也将不断地深化。此外通过对远离β稳定线原子核的研究，还可能找到某些新的同位素和核燃料，为核能与核技术的套用提供新的能源。总之，核物质新形态的研究是一个十分广阔而又值得探索的新领域，这一领域中的任何新的进展都将能推动与它有关的原子物理、天体物理、核化学以及放射化学的进展。

在核物质新形态探索中，带有重要影响的有重离子核物理、极端条件下原子核以及夸克-胶子电浆的研究。

重离子核物理

这是近30年来，在核物理学研究中一个十分活跃又是极具有生命力的前沿领域。在本世纪50年代以前，人们在研究原子核的结构与变化时，只是利用质量小的轻离子，如氦核、氘核、质子、中子、电子和γ射线等轰击原子核，这一研究已取得了多方面的成果。从50年代到60年代中期，随着加速粒子能力的提高，人们开始使用高能碳、氮、氧核去轰击原子核，主要进行的是弹性散射与少数核子转移反应。从60到80年代，重离子核反应开始逐步成为获得人工超钔元素的主要手段。近20年来，大约以每年发现30～40种新核素的速度发展着。1882年5月11日，美国劳侖斯-伯克利实验室（LBL）第一次成功地获得了地球上天然存在的最重元素铀的裸原子核，并将其加速到每个核子147.7MeV的能量，整个铀238离子的总能量达到35GeV。在这个能量上，离子速度达到了光速的二分之一。LBL的这一创举，不仅开创了相对论重离子物理学，而且使核物理的研究跨入一个以前无法触及的新领域，在这个新领域中，一些激动人心的奇特现象引起了物理界的高度重视。LBL得到的高能铀离子是由一台称为贝瓦莱克（Bevalac）的加速装置获得的。这台加速装置由两部分组成。一部分是高能质子同步加速器，它只能把质子加速到10亿电子伏，是40多年前建成，如今早已废弃不用的老加速器，把它配了离子源和注入器，作为第一级加速器使用；另一部分是重离子加速器。通常，重原子的内层电子由于强库侖作用，被紧紧地束缚在原子核外的内层，Bevalac先使铀原子部分电离，形成带少量正电荷的铀离子。然后，令其加速，当铀离子的速度超过核外电子的轨道速度时，使铀离子穿过某种金属膜，就会有相当多的电子被“剥离”，而形成带较多正电荷的铀离子，例如U68+。再使U68+继续加速，再使其通过聚酯树脂薄膜，得到U80+和U81+的离子混合物，最后再经过一层厚的钽膜，全部电子均被“剥”凈，从而得到了绝大多数的裸铀核。

套用高能重离子可以研究核裂变的异常行为。在一般的原子核中，库侖力与核力起着相互製约的作用。若核力较强，原子核比较稳定；若库侖力较强，核就容易裂变。由于中子只参与核力作用，似乎增加中子数可保持核的稳定，然而，核力的力程极短，随着距离增加，核力急剧下降，使原子有一个极限尺寸，超过这个极限，原子核将不能束缚更多的中子。可裂变的铀核正处于核力与库侖力相抗衡的状态，它们稍微受到接触就会裂解，之后，库侖力佔优势，使核裂片互相分离。在Bevalac中产生的相对论性高速铀核就可以用来研究高能下核裂变行为。果然，把高能裸核注入乳胶探测器中，通过对径迹分析发现，铀核与探测器物质原子核相撞，出现了一系列奇特现象。例如，在 152个碰撞事例中，有半数事例的铀核分裂成大小相差不多的两块，另外半数事件却分裂成数块，甚至在18%的事例中，铀核被撞击粉碎，而且入射能量越高，这种粉碎的事例越多，这类事件是高能核裂变的一种反常行为。

用类氦铀原子还可以对量子电动力学（QED）进行检验。根据量子电动力学，原子体系的跃迁能量可以用一个数学式表述，这是一系列幂指数渐增的连续项求和式，其中每一项都含有原子序数和精细结构常数。过去，在把这个表述式用于氢和氦等简单原子时，由于较高阶项带来的修正在实验中不易被察觉，常被略去不计，可是对于类氦铀原子，这些高价项却起着重要作用，在这种情况下，将对 QED的理论进行高阶次的检验。在高能重离子实验中，还发现了一种具有奇特徵质的“畸形子”，这是一种比通常的核更容易与物质发生作用的原子核或核碎片。当它们穿透物质时，在没有到达正常深度前，就已经与物质发生了作用，所以它们在靶中的运动深度比正常核碎片浅得多。一些高能重离子实验表明，大约有3%～5%的核碎片属于畸形子。有一种说法认为，它们可能就是一种“夸克-胶子”电浆。在这类电浆中，中子、质子已被破坏得失去原来的特徵，只剩下一团夸克和体现夸克间相互作用力的胶子。

包括LBL，世界上共有4台高能加速器作为重离子核反应的研究基地。到1982年为止，LBL已经能加速直到铀元素的全部重离子；美国布鲁克海汶国家实验室（BNL）可以把16O、32S、192Au加速到15GeV/N（eV/N为每核子电子伏）；欧洲原子核研究中心（CERN）可以把16O、32S加速到60GeV/N；美国布鲁克海汶国家实验室拟在1996年建成的相对论重离子对撞机（RHIC），投资4亿美元。它建在原本为建造质子-质子对撞机所开掘的隧道裏，隧道周长3.8km。它包括两个巨大的超导磁环，最大磁场3.8T，可以使质量数小于或等于200的离子能量达到100GeV/N。它的一个重要目的就是研究在高温、高密条件下，实现普通核到夸克-胶子电浆的相变。在今后的20年内，相对论重离子物理可望获得重要进展。

重离子研究

(1)探索夸克-胶子电浆（QGP）

相对论重离子物理学是发展较快的核物理前沿领域，也是今后若干年核心物理的重要研究方向之一。它主要是研究在极高温度（达到1012K，即太阳中心温度的 60000倍）以及极高密度（10倍于正常核物质密度）下，核由强子态向夸克物质态，即夸克-胶子电浆的相变。这项研究具有极其重要的意义。首先，夸克-胶子电浆是人们长期以来渴望求到却又难以得到的一种物质形态。夸克-胶子电浆与一般的电的电浆不同，在夸克-胶子电浆中，夸克在强子外是自由的，而整体上又是色中性的。如果说，上一世纪给本世纪留下了两个谜，一个是无绝对的惯性系，一个是波-粒二象性，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得以解决，那麽，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来。当前，描述自然界四种基本作用的理论是，描述强相互作用的量子色动力学（QCD），描述电-弱相互作用的 SU（2）×U（1）的模型理论，描述引力作用的广义相对论，这些理论的最终统一将使这两个谜获得最终解决，而相对论重离子物理研究又直接与这两个谜相关，正因如此，有人称这项研究具有“世纪性的地位”。当两束高能重离子相撞时，虽然在极短的时间内，离子之间无重子分布，是一种物理真空区域，但是它却比一般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激发态的理想区域。这时物质的有效质量为零，手征对称性得以恢复。此外，又根据核的相变理论，在正常温度和正常密度ρN条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度达到2ρN时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度达到5ρN左右，单个核子产生许多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度达到10ρN左右，核由强子激发态继续发生相变，此时出现解除夸克禁闭，夸克跑出核子外，在比核子大得多的範围内自由运动。此时，夸克与夸克间相互作用粒子组成夸克-胶子电浆（QGP）。虽然这种理论分析尚有许多不确定因素，却引起了许多人的兴趣。人们一致认为，高能重离子反应是实现这一相变的最有希望的途径。有人估计，要实现普通核的非禁闭相变，核碰撞质心能量要达到100GeV/N。预计在1996年建成的美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）将能满足这一要求。

(2)格点规範场理论对相变条件的预言

为探索夸克-胶子电浆，首先应从理论上估计核物质由强子态向夸克-电浆相变发生的条件。先从核物质密度与强子密度之差估算相变所需要的能量。其结果是，当核密度提高到正常态的4倍时，相变即可实施。然而这种方法仅只是一种估算，精确的方法应採用格点规範理论。在强子尺度的小範围内，研究夸克的物质运动规律时，量子色动力学採用了微扰展开的方法，这种微扰法取得了很大的成功。但是在大于强子的尺度上，夸克-胶子的等效相互作用强度并不小，由于交换动量的结果，使夸克-胶子体系产生了各种非微扰量，原来的微扰法不再适用。在强相互作用中，这种非微扰效应表现在多方面。从粒子的质量看，质子的质量恰好是938MeV，△粒子的质量是1236MeV，π0介子质量是135MeV，为什麽它们恰好是上述值，这实际上就是一种由非微扰效应产生的结果。此外，粒子的寿命、衰变现象、零点波函式、磁矩、结构函式甚至真空结构等，也都是夸克-胶子在大距离上的作用效应，也属于非微扰效应产生的结果。这些现象与非微扰效应的关系，是粒子物理学中十分重要而又未被完全开发的领域。1974年，美国康奈尔大学的威尔逊（K.G.Welson）提出了格点理论，用以解释非微扰现象。其作法是，先设法在4维时空中取一系列等间隔的格点，连续的时空被一系列离散的格点所代替。他规定，胶子规範场只在格点间的键上起作用，而夸克费窑场则定义在格点上。由上述场量组成的格点作用量具有规範不变性。当格点间的距离趋于零时，格点作用量趋于原有的量子色动力学作用量，格点规範理论趋于连续时空的规範理论，与连续时空的渐近自由相对应。下一步做法是，先在格点体系中计算各个物理量，然后再把格点间距趋于零，就可望得到真正的物理量，特别是那些非微扰量了。

事实上，微观世界中的微扰量与非微扰量本是人为地划分出来的。当认识水準未达到一定的层次时，先讨论微扰量只是一种对复杂事物的简单处理方法。格点规範场理论的建立表明，人的认识水準又向更高层次迈进了一步。此外，由于粒子物理与统计物理的研究对象都是有无穷多自由度的体系，格点微扰理论把它们之间的相似性突出地表现了出来。然而，格点规範理论的计算是很复杂的，因为每个格点有四个正方向共四个键，在SU(3)规範不变条件下，每个键有8个独立变数，每个格点又有正反夸克场，每个夸克场有4个Dirac分量，有三种色，至少有四种味，这样一来，对于每边有16个格点的四维立方体，就有200万个独立变数。由于系统复杂，尚不能使用解析方法求解。但是由于理论的规範不变性，使讨论对象具有群积分的性质，可以用数值计算方法计算。1981年，帕瑞西等人利用布鲁克海汶国家实验室的大型电脑，使用抽样计数方法，即蒙特卡罗数值计演算法，计算了这些群积分，不仅首次得到了π介子、质子、△粒子等强子的质量，而且还得到了π介子衰变常数以及标志手征对称性自发破缺不为零的数值。以后，又有人用同样方法计算出更有意义的结果，例如证实了两个重夸克之间的位势随距离的增加，呈现由库侖位势向线性位势的变化。这一结果证明了夸克之间距离加大时，存在有越来越大的作用力，结果使它们“禁闭”起来（渐近自由）。计算结果还显示，温度增加到一定程度，即高能粒子互撞时，夸克的自由能突然加大。这表明，在高能散射中，它们有可能从“禁闭”中被“解放”出来，相变的临界温度为200MeV、密度为正常核密度的5倍以上，达到这一条件相变即有可能发生，这一结果确实给人极大的鼓舞。

实验尝试

1986年，欧洲原子核研究中心（CERN）在SPS加速器上首次进行了（60GeV～200GeV）/N的氧束流沖击重靶的实验，这是一次较为成功的相对论重离子实验。在这以前所做的有关实验，如 CERN的p-p，α-α实验；费密实验室的p-p实验，虽然能量很高，但由于碰撞粒子的质量太轻，高能密度聚集的範围太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶实验，虽然粒子足够重，但每个核子的能量只有1.8GeV，这个值又太低，使碰撞区的温度不够高。还有的虽然能量足够高，但实验的统计性又太差，事例数太少，都未能获得成功。

在CERN的这次成功实验中，发现了人们所期待的“J/ψ抑製效应”，它是QGP存在的迹象之一。根据理论分析，J/ψ粒子有三种衰变方式，它可能衰变成两个电子，e+和e-；还可能衰变成两个μ子，μ+和μ-；或者衰变成强子。在高能碰撞中，强子也可能产生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子组成，自由的c对存在有束缚态。当有QGP产生时，由于德拜禁止效应的存在，会抑製c束缚态的出现，因而不能组成J/ψ粒子，或者说J/ψ中产生的几率下降，于是J/ψ中粒子产额抑製现象常被当作为QGP出现的信号。

CERN使用的是200GeV/N的32S打击238U，所形成的体系可能是发射π介子和K介子，也可能发射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰变，通过衰变粒子，如μ+和μ-，来判断J/ψ粒子的产额。在碰撞区形成一团火球，边缘地区的J/ψ粒子产额竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出现了J/ψ抑製，即有产生QGP的迹象。

另一个显示出现QGP迹象的实验是在美国布鲁克海汶国家实验室进行的，这是测定K+/π+比例的实验。他们使用了14.5GeV/N的28Si束打击Au靶，观测K+与π+产额之比，并与质子对撞情况相比较。他们认为，如果有QGP产生，π+、K-和π+产额将减少，至多是不变，而K+的产额却要增加，这样一来，有QGP时，K+/π+产额比值应加大。他们的实验结果是：28Si打击Au后，K+/π+产额比值由质子对撞时的0.07上升为0.20，而K-/π-的比值则与质子对撞时一样。

重离子对撞实验是很复杂的。根据理论计算，在现有的条件下，对撞区的温度可达到200MeV左右，这个温度在相变临界温度附近，所形成的火球的横向半径大约有4.3～8.1fm，径向半径约有2.6～5.6fm。一个碰撞事例往往可以产生500个以上的次级粒子，处理这样复杂的事例以及处理如此大量的特征信号是件极为困难的事，因此，通过上述特征估计 QGP的形成仍只是一种试探。即使如此，由于理论物理学家已给出相变存在的可能性，也由于实验物理学家又较成功地处理了如此复杂的反应事例，还由于相对论重离子碰撞实验已达到了理论预言的能区，更由于这项研究目标所具有的深远的意义，这一切都使得夸克-胶子电浆的研究成为核物理学前沿的热点课题之一。

研究历史

在1948～1949年间，迈耶（Mayer，MariaGoeppert1906～1972）通过分析各种实验资料，重新确定了一组幻数，即2、8、20、28、50和82。确定这些幻数的根据是：①原子核是这些幻数的化学元素相对丰度较大；②幻核的快中子和热中子的截面特别小；③幻核的电四极矩特别小；④裂变产物主要是幻核附近的原子核；⑤原子的结合能在幻核附近发生突变；⑥幻核相对α衰变特别稳定；⑦β衰变所释放的能量在幻核附近发生突变。在费密的啓发下，迈耶在平均场中引入强的自旋-轨道耦合力，利用该力引起的能级分裂成功地解释了全部幻数的存在。接着，詹森（Jensen，Johannes Hans Daniel 1907～1973）也独立地得到了相同的结果。在迈耶与詹森合着的《原子核壳层基本原理》一书中，他们利用核壳层模型成功地解释了原子核的幻数、自旋、宇称、磁矩、β衰变和同质异能素岛等实验事实。由于原子核壳层结构模型所获得的成功，及其在核物理研究中的重要作用，迈耶和詹森共同获得1963年诺贝尔物理学奖。

1953年，丹麦物理学家、着名物理学家N.玻尔之子阿·玻尔（Bohr，Aage Niels1922～）与他的助手莫特森（Mottelson，BenRoy 1926～）及雷恩沃特（Rainwater，LeoJames1917～）共同提出了关于原子核的集体模型。这一模型认为，除平均场外，核子间还有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之间关联，这种关联是对独立粒子运动的一种补充，其中短程关联引起核子配对。描述这种关联的核子对模型已经得到大量的实验支持。核子间的长程关联将使核变形，并产生集体运动，原子核转动和振动能谱就是这种集体运动的结果，而重核的裂变以及重离子的熔合反应又是原子核大变形引起的集体运动的结果。原子核的集体模

型认为，每个核子在核内除了相对其它核子运动外，原子核的整体还发生振动与转动，处于不同运动状态的核，不仅有自己特定的形状，还具有不同的能量和角动量，这些能量与角动量都是分立的，因而形成能级。正因如此，与只适用于球形核的独立粒子壳层模型相比，原子核的集体模型有了很大的发展。用它可以计算核液滴的各种形状对应的能量和角动量。此外，当核由高能级向低能级跃迁时，能量通常还能以γ射线的形式释放出来，这一特征正与大量处于稳定线附近的核行为相符。此外，根据这一模型，当核形状固定时，转动惯量不变，随着角动量加大，核形状变化，转动惯量相应改变，导致转动能级变化，因此，这一模型对变形核转动能级的跃迁规律的研究，已成为研究奇异核的基础。原子核集体模型解决了独立粒子核壳层模型的困难，成功地解决了球形核的振动、变形核的转动和大四极矩等实验事实，为原子核理论的发展作出重要的贡献，为此，阿·玻尔、莫特森与雷恩沃特共同获得了1975年诺贝尔物理学奖。