原子核

原子核

原子核(atomic nucleus)簡稱“核”。位於原子核心部分,由質子中子兩種微粒構成。而質子又是由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子又是由兩個下夸克和一個上夸克組成。

原子核極小,它的直徑在10-15m~10-14m之間,體積只占原子體積的幾千億分之一,在這極小的原子核里卻集中了99.96%以上原子的質量。原子核的密度極大,核密度約為1017kg/m3,即1m3的體積如裝滿原子核,其質量將達到1014t,即1百萬億噸。原子核的能量極大,構成原子核的質子和中子之間存在著巨大的吸引力,能克服質子之間所帶正電荷的斥力而結合成原子核,使原子在化學反應中原子核不發生分裂。當一些原子核發生裂變(原子核分裂為兩個或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時結合成為重核)時,會釋放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能發電)。整個原子不顯電性,呈中性。

基本介绍

  • 中文名原子核
  • 外文名:atomic nucleus
  • 別稱:核
  • 提出者盧瑟福
  • 提出時間:1912年
  • 套用學科:物理學、化學、生物學
  • 適用領域範圍:航空航天、原子能、顯微鏡等
  • 衰變方式:α衰變、β衰變
  • 組成:質子和中子
簡介,本質,相互作用,電荷,盧瑟福實驗,實驗結論,理論進展,研究歷程,IBM理論,自由度,π介子自由度,夸克自由度,EMC效應,形態探索,簡述,重離子核物理,重離子研究,實驗嘗試,奇異核,歷史,未來發展,

簡介

原子核(atomic nucleus)位於原子的核心部分,占了99.96%以上原子的質量,與周圍圍繞的電子組成原子。原子核由質子和中子構成。而質子又是由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子是則由兩個下夸克和一個上夸克組成。原子核極小,它的直徑在10-12至10-13公分之間,體積只占原子體積的幾千億分之一,如果將原子比作地球,那么原子核相當於棒球場大小,而核內的夸克及電子只相當於棒球大小。原子核的密度極大,約為1014克/立方公分,原子核內有核殼層結構,稱為幻核。
構成原子核的質子和中子之間存在介子,以傳遞原子核內巨大的吸引力-強力,強力比電磁力強137倍,故能克服質子之間所帶正電荷的電磁斥力而結合成原子核。原子核的能量極大,當原子核發生裂變(重原子核分裂為兩個或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時結合成為重核)時,會釋放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能發電)。質子和中子及介子由價夸克(組分夸克)及誨夸克(流夸克)組成,夸克亦有層層(殼)結構,外層為橫向連線的價夸克,內層為縱向疊加的誨夸克,而外層為3個橫向連線的束縛態價夸克。價夸克按比例(2個上型夸克帯+2/3電荷,1個下型夸克帯-1/3電荷)分掉質子(或3夸克超子)內的整數電荷,故夸克帶分數電荷。縱向疊加的誨夸克正負電荷相抵=零,原子內帶正電荷的質子與帶負電荷的電子數量相同,故整個原子呈電中性。

本質

1912年英國科學家盧瑟福根據α粒子轟擊金箔的實驗中,絕大多數α粒子仍沿原方向前進,少數α粒子由於撞擊到了電子發生較大偏轉,個別α粒子偏轉超過了90°,有的α粒子由於撞上原子核所以偏轉方向甚至接近180°。該試驗事實確認了:原子內含有一個體積小而質量大的帶正電的中心,這就是原子核模型的來歷。

相互作用

核子之間的核力,是一種比電磁作用大得多的相互作用。原子半徑很小,質子間庫侖斥力很大,但原子核卻很穩定。所以原子核里質子間的除了庫侖斥力外還有核力。只有在2.0×10-15m的短距離內才能起到作用。
 圖為氦原子的原子及其原子核構想圖 圖為氦原子的原子及其原子核構想圖
質子和質子之間、質子中子之間、中子和中子之間都存在。

電荷

盧瑟福實驗

盧瑟福用一束α射線轟擊金屬薄膜,發現有少部分α粒子大角度改變運動方向,並在此基礎上提出了行星式原子結構模型:原子中存在一個帶正電的核心,即原子核。
α粒子散射實驗α粒子散射實驗
盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實驗,實驗的目的是想證實湯姆孫原子模型的正確性,實驗結果卻成了否定湯姆遜原子模型的有力證據。在此基礎上,盧瑟福提出了原子核式結構模型。
為了要考察原子內部的結構,必須尋找一種能射到原子內部的試探粒子,這種粒子就是從天然放射性物質中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進行實驗,如圖是這個實驗裝置的示意圖。
在一個鉛盒裡放有少量的放射性元素釙(Po),它發出的α射線從鉛盒的小孔射出,形成一束很細的射線射到金箔上。當α粒子穿過金箔後,射到螢光屏上產生一個個的閃光點,這些閃光點可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實驗結果,整個裝置放在一個抽成真空的容器內,帶有螢光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。

實驗結論

原子是電中性的,核帶有的正電荷等於核外電子的總負電荷。對原子序數Z的原子,核帶正電+Ze。核的電荷數是一個嚴格的整數,它等於核內的質子數。質子帶正電+e,與電子的電量相等。

理論進展

研究歷程

核物理研究一開始,就面臨著一個重要的問題,這就是核子間相互作用的性質。人們注意到,大多數原子核是穩定的,而通過對不穩定原子核的γ衰變β衰變α衰變的研究發現,原子核的核子之間必然存在著比電磁作用強得多的短程、且具有飽和性的吸引力。此外,大量實驗還證明,質子-質子、質子-中子、中子-中子之間的相互作用,除了電磁力不同外,其它完全相同,這就是核力的電荷無關性。1935年,湯川秀樹(YukawaHideki 1907~1981)提出,核子間相互作用是通過交換一種沒有質量的介子實現的。1947年,π介子被發現,其性質恰好符合湯川的理論預言。
介子交換理論認為,單個π介子交換產生核子間的長程吸引作用(≥3×10-13cm),雙π介子交換產生飽和中程吸引作用[(1~3)×10-13cm],而ρ、ω分子交換產生短程排斥作用(<1×10-13cm),π介子的自旋為零,稱為標量介子,ρ、ω介子的自旋為1,稱為矢量介子,它們的靜止質量不為零,這確保了核力的短程性,而矢量介子的非標量性又保證了核力的自旋相關性。核力性質及核組成成分的研究,為進一步揭示原子核的結構創造了條件。
在早期的原子核模型中,較有影響的有玻爾液滴模型、費密氣體模型、巴特勒特和埃爾薩斯的獨立粒子模型以及邁耶和詹森的獨立粒子核殼層模型。其中最成功的是獨立粒子核殼層模型。
在1948~1949年間,邁耶(Mayer,MariaGoeppert1906~1972)通過分析各種實驗數據,重新確定了一組幻數,即2、8、20、28、50和82。確定這些幻數的根據是:
  • 原子核是這些幻數的化學元素相對豐度較大;
  • 幻核的快中子和熱中子的截面特別小;
  • 幻核的電四極矩特別小;
  • 裂變產物主要是幻核附近的原子核;
  • 原子的結合能在幻核附近發生突變;
  • 幻核相對α衰變特別穩定;
  • β衰變所釋放的能量在幻核附近發生突變。
在費密的啟發下,邁耶在平均場中引入強的自旋-軌道耦合力,利用該力引起的能級分裂成功地解釋了全部幻數的存在。接著,詹森(Johannes Hans Daniel Jensen,1907~1973)也獨立地得到了相同的結果。在邁耶與詹森合著的《原子核殼層基本原理》一書中,他們利用核殼層模型成功地解釋了原子核的幻數、自旋、宇稱磁矩、β衰變和同質異能素島等實驗事實。由於原子核殼層結構模型所獲得的成功,及其在核物理研究中的重要作用,邁耶和詹森共同獲得1963年諾貝爾物理學獎
原子核
核殼層模型是在大量的關於核性質、核譜以及核反應實驗數據綜合分析的基礎上提出的,它對原子核內部核子的運動給出了較清晰的物理圖象。這一模型的核心是平均場思想。它認為,就像電子在原子中的平均場中運動一樣,在原子核內,每個核子也近似地在其它核子的平均場中做獨立的運動,因此原子核也應具有殼層結構,通常把這一模型稱為獨立粒子核殼層模型。
平均場的思想使核殼層模型取得了多方面的成功,但是它也具有不可避免的局限性,因為核子之間的相互作用不可能完全由平均場作用代替。除了平均場以外,核子之間還有剩餘相互作用。隨著核物理研究的發展,在50年代以後,陸續發現一些新的實驗事實,如大的電四極矩、磁矩、電磁躍遷幾率、核激發能譜的振動譜、轉動譜以及重偶偶核能譜中的能隙等,它們都不能用獨立粒子的核殼層模型解釋。
1953年,丹麥物理學家、著名物理學家N.玻爾之子阿·玻爾(Aage Niels Bohr,1922~)與他的助手莫特森(Ben RoyMottelson,1926~)及雷恩沃特(Leo JamesRainwater,1917~)共同提出了關於原子核的集體模型。這一模型認為,除平均場外,核子間還有剩餘的相互作用,剩餘作用引起核子之間關聯,這種關聯是對獨立粒子運動的一種補充,其中短程關聯引起核子配對。描述這種關聯的核子對模型已經得到大量的實驗支持。核子間的長程關聯將使核變形,並產生集體運動,原子核轉動和振動能譜就是這種集體運動的結果,而重核的裂變以及重離子熔合反應又是原子核大變形引起的集體運動的結果。原子核的集體模型認為,每個核子在核內除了相對其它核子運動外,原子核的整體還發生振動與轉動,處於不同運動狀態的核,不僅有自己特定的形狀,還具有不同的能量和角動量,這些能量與角動量都是分立的,因而形成能級。正因如此,與只適用於球形核的獨立粒子殼層模型相比,原子核的集體模型有了很大的發展。用它可以計算核液滴的各種形狀對應的能量和角動量。此外,當核由高能級向低能級躍遷時,能量通常還能以γ射線的形式釋放出來,這一特徵正與大量處於穩定線附近的核行為相符。此外,根據這一模型,當核形狀固定時,轉動慣量不變,隨著角動量加大,核形狀變化,轉動慣量相應改變,導致轉動能級變化,因此,這一模型對變形核轉動能級的躍遷規律的研究,已成為研究奇異核的基礎。原子核集體模型解決了獨立粒子核殼層模型的困難,成功地解決了球形核的振動、變形核的轉動和大四極矩等實驗事實,為原子核理論的發展作出重要的貢獻,為此,阿·玻爾、莫特森與雷恩沃特共同獲得了1975年諾貝爾物理學獎。

IBM理論

發展核模型的目的,在於更準確地描述原子核的各種運動形態,以期建立一個更為完整的核結構理論。由於人們對於核子間的相互作用性質、規律及機制並不完全清楚,不可能像經典物理那樣,通過核子間的相互作用先建立一個核結構與核動力學理論,只能依靠所建立的模型,對有實驗數據的核素或能區進行理論計算,再與實驗的結果相比較,根據比較結果,調整模型,再通過模型理論,估算沒有實驗數據的空缺能區,發展實驗技術,補充空缺數據,再與理論估算相比較,如此循環往復,推動核結構理論的進展,這是一個艱苦而又漫長的探索過程。截止到70年代初,核結構理論的進展大多在傳統的範圍內發展著。
傳統核結構理論的特點是:
①沒有考慮核子的自身結構;
②處理核力多為二體作用,把核核心子間的作用,等同於自由核子間的相互作用;
③認為核物質是無限的;
④套用的是非相對論的量子力學
⑤研究對象是通常條件(基態或低激發態、低溫、低壓、常密度等)下的自然核素。
從70年代中到90年代,核物理的研究跳出了傳統範圍,有了巨大的進展。首先是實驗手段的發展,各種中、高能加速器重離子加速器相繼投入運行;與此相應,探測技術的發展不僅擴大了可觀測核現象的範圍,也提高了觀測的精度與分析能力;核數據處理技術由手工向計算機化的轉變,更加速了核理論研究的進程。受到粒子物理學和天體物理學發展的影響,核物理理論也開始從傳統的非相對論量子核動力學(QND)向著相對論量子強子動力學(QHD)和量子色動力學(QCD)轉變。一個以相對論量子場論弱電統一理論與量子色動力學為基礎的現代核結構理論正在興起。雖然由於粒子物理已成為一門獨立學科,核物理已不再是研究物質結構的最前沿,但是核物理的研究卻更進入了一個向縱深發展的嶄新階段。
原子核的集體模型除了平均場外,還計入了剩餘相互作用,因而加大了它的預言能力。然而,核多體問題在數學處理上的難度很大,這給實際研究造成很大的困難。近十幾年來,有人提出了各種更為簡化的核結構模型,其中主要的有液點模型,它的特點是反映了原子核的整體行為和集體運動,能較好地說明原子核的整體性,如結合能公式、裂變、集體振動和轉動等。除了液點模型外,還有互作用的玻色子模型(IBM),這一模型也是企圖用簡化方法研究核結構。由於人們除了對核子間的核力作用認識不清以外,又由於原子核是由多個核子統成的多體系統,考慮到每個核子的3維坐標自由度、自旋與同位族自由度,運動方程已無法求解,加上多體間相互作用就更難上加難。過去的獨立核殼層模型強調了獨立粒子的運動特性,而原子核集體模型又強調了核的整體運動,這兩方面的理論沒能做到很好的結合。儘管核子的多體行為複雜,無法從理論計算入手,實驗觀察卻發現,原子核這樣一個複雜的多費密子系統,卻表現出清晰的規律性與簡單性。這一點啟發人們,能否先“凍結”一些自由度,研究核的運動與動力學規律,從簡單性入手研究核,這就是互作用玻色子模型的出發點。
1968年,費什巴赫(Feshbach)與他的學生拉什羅(F. lachllo)在研究雙滿殼輕核時,把粒子-空穴看成為一個玻色子,提出了相互作用玻色子概念。1974年,拉什羅把這一概念用於研究中、重偶偶核,他與阿里默(A. Arima)合作,提出了互作用玻色子模型。這一模型認為,偶偶核包括雙滿殼的核實部分與雙滿殼外的偶數個價核子部分。若先把核實的自由度“凍結”,把價核子配成角動量為0或2的核子對,即可把費密子對處理為玻色子,用玻色子間的相互作用描述偶偶核,可以使問題大大簡化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發態上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更為成功之處是,它預言了原子核在超空間中的對稱性。它指出核轉動、核振動等集體運動行為是核動力學對稱性的反映。由於對核動力學對稱性的揭示,這一模型雖然比較抽象,卻更為深刻也更為本質。在過去,提到對稱性,往往被認為是粒子物理學的研究課題。其實,核物理也是對稱性極為豐富的研究領域。最早注意到核對稱性的是匈牙利裔美國物理學家、狄喇克的妻兄維格納(Eugene Paul Wigner,1902~)。維格納畢業於柏林大學化學系,1925年獲得博士學位,1930年與諾伊曼(JohnvonNeumann,1903~1957)一起被邀請到美國,擔任普林斯頓大學數學物理教授。1936年,兩人共同創立中子吸收理論,為核能事業做出重大貢獻。1937年,維格納基於核的自旋、同位旋,引入超多重結構,建立了宇稱守恆定律。由於對原子核基本粒子理論的貢獻,特別是對對稱性基本原理的貢獻,維格納獲得了1963年諾貝爾物理學獎。繼維格納,對原子核動力學對稱性進行更深入研究的是埃里奧特。1958年,埃里奧特研究了諧振子場的對稱性,建立了玻色子相互作用的SU(3)動力學對稱性理論,這一理論與質量數A在16~24的核理論有很好的符合,但對於A較大的核,由於自旋-軌道耦合,使這種對稱性遭到破壞,而偏離很大。在1974年拉什羅和阿里默提出的互作用玻色子模型中,將角動量為0的玻色子稱為s玻色子,角動量為2的玻色子稱為d玻色子,s、d玻色子展開一個6維超空間,系統狀態的任何一種變化,都可以通過6維空間的么正變換實現,這種么正變換構成U(6)群。原子核的角動量守恆即與空間轉動不變性相聯繫,即s、d系統具有U(6)的對稱性。他們還發現,s、d玻色子系統存在三個群鏈,
U(6)U(5)SO(5)SU(3),簡稱U(5)極限。
U(6)SU(3)SO(3),簡稱SU(3)極限。
③U(6)SO(6)SO(5)SO(3),簡稱SO(6)極限。
在三個群鏈情況下,與s、d玻色子相互作用相關的哈密頓量均有解析解,原子核具有相應群的對稱性。在三種極限情況,能量本徵值對角動量都有確定的依賴關係,動力學對稱性也依能級次序的表現而不相同。總之,這一研究成果揭示了原子核結構與動力學的對稱性,並與實驗結果取得了很大程度上的一致,IBM理論取得了很大的成功。

自由度

π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同時,核結構理論又從核內非核子自由度的研究中得到了新的進展。以核集體模型為代表的廣義核殼層模型儘管取得了一定的成功,但畢竟還有一定的局限性。首先,這些模型都只是從部分實驗事實或觀測現象出發,從某個側面用類比方法反映核子系統的機制。此外,在核反應理論中,所引入的可調參數又太多。可調參數越多,說明這個理論離成熟性與完整性越遠。再加上現有的各種核模型間缺乏統一的內在聯繫,它們不是一個包容另一個,而是彼此獨立,相互間關聯甚少。追究起來,存在這些問題的原因是對核多體系統的認識有關。按傳統認識,核內的核子只是一個無結構的點,核僅由這些被當作為點的核子組成,即原子核只存在有核子自由度,核子之間的作用單純為兩點間的作用。事實上,早在30年代,有人就預言了核記憶體在有非核子的自由度。
1932年,查德威克發現了原子核內除了質子外,還有中子以後,很快地,海森伯就提出原子核是由質子和中子組成的。然而是什麼力把它們緊緊地約束在核中呢?1935年,湯川秀樹發表了核力的介子場理論,他認為π介子是核力的媒介,並參與β衰變,同時提出了核力場方程及核力的勢。根據這一理論,質子和中子通過交換π介子互相轉化。1947年,π介子在宇宙射線中被發現。由於在核力理論中預言π介子的存在,湯川秀樹獲得了1949年諾貝爾物理學獎。
隨著粒子物理學的發展,人們逐漸發現,在原子核內,除了傳統的質子、中子自由度以外,還有更多的自由度,它們包括:π介子自由度、ρ介子自由度以及各種核子的共振態Δ、σ粒子自由度、核內夸克自由度和核內色激發自由度等,情況遠比人們對核的傳統認識複雜。對這些自由度的研究極大地豐富了原子核物理學的基本內容。
多年來,人們一直在尋求著核記憶體在π介子的直接或間接的實驗證明。一個主要的困難是得知核記憶體在π介子,需要波長極短的入射粒子束。為避免強相互作用帶來更多的不確定性,人們選用了入射光子的方法。有兩個有名的實驗給出了核記憶體在π介子自由度的證明。其一是氘核的光分裂實驗,人們用兩種方法計算了氘核光分裂γ+D→n+p過程的反應截面。結果發現,在入射光子能量Er≤50MeV情況下,認為核只具有純核子自由度的計算結果與實驗符合,偏差只有10%左右;然而當Er>50MeV時,純核子自由度的計算與實驗結果的偏離明顯地加大,只有考慮了π介子自由度以後,才與實驗結果一致。這一實驗不僅證明了核內π介子的存在,而且還說明了在通常的低能核物理中,分子的自由度不能表現出來。另一個證明π介子自由度的是利用電子散射對3He形狀因子的研究實驗。實驗結果表明,在電子與核的動量轉移過程中,越接近核中心區域,動量交換值越大,核中心區域是高動量轉移區,核的邊緣為低動量轉移區,而只有在低動量轉移區,純核子自由度理論才與實驗結果符合,在高動量轉移的中心區,必須計入π介子及Δ自由度的影響,才能與實驗符合。這個實驗不僅證明了核內π介子自由度的存在,而且進一步指出,在原子核的中心區域,非核子自由度問題的重要性更為突出。

夸克自由度

從40年代末到50年代初,隨著世界上各大型加速器的投入運行,粒子物理逐漸從核物理中分化了出來。上世紀60年代以後,粒子物理取得了一系列令人矚目的進展。例如,在70年代初,格拉肖、薩拉姆和溫伯格將弱、電相互作用統一在SU(2)×U(1)對稱群的規範理論之中,並從多方面得到了實驗上的直接和間接的證實。粒子物理的另一個著名成就是夸克模型和量子色動力學的建立。根據微觀世界中的對稱性,不僅可以對強子進行分類,而且還對強子內部結構的認識提供了有效的途徑。低能強子按SU(3)對稱群分類,這些強子的基本構件,也是SU(3)對稱群的基礎就是夸克,包括u夸克、d夸克和s夸克。為使強子滿足自然界普遍遵守的自旋與統計性關係,每種夸克還有3種不同的色,色相互作用是強相互作用的起源,而傳遞色相互作用的8個媒介子就稱為膠子。實質上,強相互作用理論即為SU(3)色對稱群的規範理論,稱為量子色動力學(QCD)。根據夸克模型,原子核的核子應由3個價夸克以及稱為海夸克的虛誇克-反夸克對膠子組成,而傳遞核子相互作用的介子應由價夸克、價反夸克和海夸克、膠子組成。這種物質結構的新觀點啟發人們思索,核內的核子處於核的“環境”之中,它們到底與自由核子有什麼區別?核“環境”對核子有什麼影響?核內的夸克和膠子的分布如何?它們都參與什麼作用?……這一系列問題都將與核內夸克自由度等的非核子自由度有關,這些問題已成為當今核物理髮展的關鍵。
還不能嚴格地用量子色動力學描述原子核這樣的多夸克系統,考慮到可能存在夸克自由度,有人提出了一個更為大膽的簡化核模型。這一模型從夸克和它們之間的相互作用力出發,採用類似傳統的獨立粒子殼層模型的方法來解釋原子核的各種性質。在考慮夸克間相互作用時,這一模型假定存在有“對力”,而不考慮夸克的禁閉性質。根據這一模型,夸克的色自由度使每個殼層上容許的夸克數恰好與傳統殼層模型每個殼層上的核子數相同,這使人們想到,在原子核內的夸克存在有自由度,它們可能不像在自由核子中那樣禁閉,那么原子核內的夸克究竟有多大的幾率跑出核內的核子之外?原子核內的夸克自由度能否表現出來?在對這些關鍵問題的研究中,核物理與粒子物理兩大學科又重新走到一起,而趨於匯合之中。

EMC效應

傳統的原子核的質子-中子模型在描述低能核現象時都十分成功,這表明,要發現核內的夸克效應或其它非核子自由度應該到高能核現象中去尋找。此外,根據標準模型預言,原子核是由若干核子、介子組合的集合系統,而核子、介子又都是通過膠子相互作用的夸克系統,核子在核內不停地運動,又會由於核子間的重疊形成夸克集團,這樣一來,核核心子的性質,如大小、質量等,一定與自由核子不同,例如會稍微膨脹而變“胖”和有效質量變小等。此外,禁閉在核核心子中的夸克密度分布也會與自由核子的不同。這些都是由於夸克自由度帶來的影響,稱之為夸克效應。
尋求核內夸克效應的最直接和有效的方法就是用“探針”探測。這種“探針”就是能量極高的入射粒子。入射粒子的能量越高,它的德市洛意波長越短,分辨核內微小尺度的能力越強。此外,最好採用電子和μ子等非強子作探針,以避免強相互作用干擾,因為對強相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對於實驗的結果,有人預計,當用能量高達幾個京電子伏的高能輕子打入核內時,它們與核內夸克相互作用而散射,通過對散射粒子的能量、動量和散射角分布的測量,探知核內夸克的動量分布,即核子結構函式。而另一些人則認為,原子核只是一個質子-中子構成的弱束縛體系,對於高達幾個京電子伏的高能過程,這種弱的束縛不會起什麼作用,核的“環境”影響不能顯示出來,在自由核子靶上以及在原子核核心子靶上,測量這種結構常數不會顯示什麼差異。然而實驗的結果,卻大大出乎後一些人的預料。
1982年,在歐洲粒子物理研究中心,由來自17個國家和地區的89位高能物理學家,組成了歐洲μ子實驗合作組(EMC組),進行了帶電輕子深度非彈性散射實驗。他們使用的高能輕子為電子、μ子中微子,輕子與核子間傳遞的能量高達幾個到幾十個GeV,這一實驗結果發表在《物理通訊》雜誌上。實驗得到了鐵原子核結構函式氘核結構函式的比值,發現這一比值是夸克動量與核子平均動量比值x的函式,當x在一定的範圍(布約肯區)內時,這個比值為0.05~0.8,且呈一定規律隨x變化。這個結果很重要,因為如果認為核內的核子仍保持自由核子的性質,這個比值應為1,比值偏離1的實驗結果表明,原子核內的核子包含了較多的低能夸克。儘管核子在核內的束縛很弱,周圍核物質的存在依然明顯地影響到束縛在核內夸克的動量分布。面對這一實驗事實,人們不得不改變原來的看法,這一結果由此得名為“EMC效應”。隨後,EMC效應陸續被美國斯坦福直線加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個大加速器的實驗證實。
EMC效應的發現引起了世界性的轟動,這不是偶然的。它像科學史上許多其它重要發現一樣,不是“先驗的理論”,而是實驗事實強迫人們去接受一種新的觀念,這就是原子核內核子的亞結構與一般自由核子的亞結構有明顯的不同。這裡值得提起一個反面的例子,如果人們不是被一些“先驗的理論”所束縛,本該更提早十幾年發現EMC效應。在70年代初,在斯坦福直線加速器實驗室(SLAC)就有一個用高能電子測量核子結構函式的研究組。他們以液氫與液氘為靶,得到了核中質子和中子的結構函式。因為用來盛液氫、液氘的容器是鋼和鋁的,為消除本底的影響,他們又進行了容器的空靶測量,這樣就掌握了鋼和鋁靶的結構函式,卻不曾想到與自由核子的結果相比較。EMC效應的結果發表以後,他們把十幾年前依然保存完好的數據重新計算分析,他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學’的研究”。其結果確實充滿戲劇性,兩次研究一前一後時隔十幾年,對不同的探測粒子、不同能區做了測量,竟然得出完全一致的結果。這一事實不僅再一次令人信服地證實了EMC效應的存在,還使人們冷靜地看到,SLAC小組先於十幾年得到實驗的全部數據,卻未能成為EMC效應的發現人,這不能不說明,對於那些已被廣泛接受卻未經實驗事實證實的“先驗理論”,確有必要重新檢驗。1988年,EMC組又在極小的布約肯區(0.003≤x≤0.2)對不同的核(12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn)進行了測量。結果發現,在0≤x<0.1時,結構函式比值小於1,有明顯的遮蔽現象;而在0.1≤x≤0.2時,結構函式比值大於或等於1,有較弱的反遮蔽現象,而且遮蔽現象隨不同的核而不同。伯格(E. L. Berger)等人對這一現象做出了解釋。他們先從傳統的核子-介子模型出發,同時考慮了核子的費密運動修正,認為遮蔽現象來源於核子造成的“影子”,即入射粒子“看不到”處於“影子”中的核子。根據這一解釋,遮蔽現象本應該隨著入射高能輕子轉移給靶核動量的增大而迅速地減小,以至消失,然而實驗現象卻與這種估計相反。這表明,EMC效應使傳統的核子-介子模型出現了困難,原子核並非簡單的核子的集合,即使引入了核子運動的費密修正,核內的夸克分布也與自由核子不同,這就迫使人們不得不考慮夸克自由度的問題。
根據量子色動力學,夸克的相互作用性質與核力、電磁力及引力性質完全相反。在強子內,夸克間距離很小時,它們幾乎相互沒有作用,行為像無相互作用的自由粒子,然而隨著夸克間距離的加大,禁閉勢壘急劇增高,夸克像是被禁閉在強子的內部。EMC效應的發現使人們想到,禁閉在核“環境”中核子內的夸克自由度可能比自由核子內的夸克自由度大,在核“環境”中,核子內的夸克將有可能以某種幾率跑到核子之外,甚至從一個束縛核子中“滲透”出來,再進入另一個束縛核子之中,兩個相互靠得較近的核子會以一定的幾率彼此“融合”,使核子自身膨脹起來,核子會因這種膨脹而變“胖”,隨之有效質量減小。核核心物質密度越大,核子重疊機會越多,夸克禁閉長度增加就越大,這一效應就越明顯。對EMC效應的這一解釋先後由卡爾森(E. E. Carlson)及克洛斯(F. E. Close)等人給出,他們的解釋與1988年EMC協作組的實驗結果取得了大部分的一致。
事實證明,夸克自由度的研究還是很初步的,與問題的最後的圓滿解決仍有相當大的距離。隨著研究的深入,問題也不斷地接踵而來。1990年下半年,斯坦福直線加速器研究中心又公布了有關EMC效應的新實驗結果,他們用800GeV的高能質子轟擊不同的靶核所產生的雙μ子實驗,測定了靶核內海夸克密度分布變化。結果表明,在布約肯變數範圍0.1<x<0.3時,海夸克密度大致沒有變化,這與EMC效應的各種模型理論的預言都不一致。即使如此,EMC效應的意義仍是不言而喻的,它一方面使人們認識到,必須從夸克層次對核的組分與結構進行重新的認識;另一方面,從核的夸克禁閉性質變化討論禁閉的根源又為粒子物理的研究展開了一個新的天地。它使人們確信,高能核物理以及高能重離子核物理的實驗與理論研究一定能為核中夸克效應的研究提供更為豐富的內容,夸克、膠子自由度的核效應以及夸克、膠子自由度與核子、介子自由度的關聯終將會被揭示出來。

形態探索

簡述

迄今為止,已發現的穩定原子核265種,60種天然放射性核,人工合成有2400種核,然而在核素圖上,由中子滴落線、質子滴落線及自裂變半衰期大於1μs的限制邊界內所包圍的核素應有8000餘種,這表明有一大半核尚未被人們認識。根據如今的情況,考慮到可能的生成與鑑別方法,估計還可能被生成或鑑別600種左右的新核素,它們是世界各地有關實驗室不惜耗費重金搜尋的目標。
然而,隨著遠離β穩定線,未知新核素的生成截面也越來越小,壽命越來越短,使分離、生成和鑑別的難度越來越大。遠離穩定線原子核研究在核物理學中占有特殊重要的地位。首先,這些核素具有一系列獨特的性質,例如它們的中子、質子數之比異常,有的核結合能極大,有新的衰變方式,如高能β衰變、β延遲粒子發射、β延遲衰變、表面結團結構、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨特現象的研究,有助於檢驗和發展現有的原子核理論。此外,現有的核結構模型,大部分是在β穩定線附近幾百種核研究基礎上建立起來的,如液滴模型、獨立粒子核殼層模型、核集體模型等,它們都有待在遠β穩定線的原子核研究中得到檢驗、深化與發展。隨著新核素的生成與鑑別,以及隨著對它們的衰變性質及核結構的研究,會不斷地有新的現象被揭示,人們對核內部的結構以及運動規律的認識也將不斷地深化。此外通過對遠離β穩定線原子核的研究,還可能找到某些新的同位素和核燃料,為核能與核技術的套用提供新的能源。總之,核物質新形態的研究是一個十分廣闊而又值得探索的新領域,這一領域中的任何新的進展都將能推動與它有關的原子物理、天體物理、核化學以及放射化學的進展。
在核物質新形態探索中,帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及夸克-膠子電漿的研究。

重離子核物理

這是近30年來,在核物理學研究中一個十分活躍又是極具有生命力的前沿領域。在本世紀50年代以前,人們在研究原子核的結構與變化時,只是利用質量小的輕離子,如氦核、氘核、質子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核,這一研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期,隨著加速粒子能力的提高,人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核,主要進行的是彈性散射與少數核子轉移反應。從60到80年代,重離子核反應開始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來,大約以每年發現30~40種新核素的速度發展著。1982年5月11日,美國勞侖斯-伯克利實驗室(LBL)第一次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核,並將其加速到每個核子147.7MeV的能量,整個鈾238離子的總能量達到35GeV。在這個能量上,離子速度達到了光速的二分之一。LBL的這一創舉,不僅開創了相對論重離子物理學,而且使核物理的研究跨入一個以前無法觸及的新領域,在這個新領域中,一些激動人心的奇特現象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一台稱為貝瓦萊克(Bevalac)的加速裝置獲得的。這台加速裝置由兩部分組成。一部分是高能質子同步加速器,它只能把質子加速到10億電子伏,是40多年前建成,如今早已廢棄不用的老加速器,把它配了離子源和注入器,作為第一級加速器使用;另一部分是重離子加速器。通常,重原子的內層電子由於強庫侖作用,被緊緊地束縛在原子核外的內層,Bevalac先使鈾原子部分電離,形成帶少量正電荷的鈾離子。然後,令其加速,當鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時,使鈾離子穿過某種金屬膜,就會有相當多的電子被“剝離”,而形成帶較多正電荷的鈾離子,例如U68+。再使U68+繼續加速,再使其通過聚酯樹脂薄膜,得到U80+和U81+的離子混合物,最後再經過一層厚的鉭膜,全部電子均被“剝”淨,從而得到了絕大多數的裸鈾核
套用高能重離子可以研究核裂變的異常行為。在一般的原子核中,庫侖力與核力起著相互制約的作用。若核力較強,原子核比較穩定;若庫侖力較強,核就容易裂變。由於中子只參與核力作用,似乎增加中子數可保持核的穩定,然而,核力的力程極短,隨著距離增加,核力急劇下降,使原子有一個極限尺寸,超過這個極限,原子核將不能束縛更多的中子。可裂變的鈾核正處於核力與庫侖力相抗衡的狀態,它們稍微受到接觸就會裂解,之後,庫侖力占優勢,使核裂片互相分離。在Bevalac中產生的相對論性高速鈾核就可以用來研究高能下核裂變行為。果然,把高能裸核注入乳膠探測器中,通過對徑跡分析發現,鈾核與探測器物質原子核相撞,出現了一系列奇特現象。例如,在 152個碰撞事例中,有半數事例的鈾核分裂成大小相差不多的兩塊,另外半數事件卻分裂成數塊,甚至在18%的事例中,鈾核被撞擊粉碎,而且入射能量越高,這種粉碎的事例越多,這類事件是高能核裂變的一種反常行為。
用類氦鈾原子還可以對量子電動力學(QED)進行檢驗。根據量子電動力學,原子體系的躍遷能量可以用一個數學式表述,這是一系列冪指數漸增的連續項求和式,其中每一項都含有原子序數和精細結構常數。過去,在把這個表述式用於氫和氦等簡單原子時,由於較高階項帶來的修正在實驗中不易被察覺,常被略去不計,可是對於類氦鈾原子,這些高價項卻起著重要作用,在這種情況下,將對 QED的理論進行高階次的檢驗。在高能重離子實驗中,還發現了一種具有奇特性質的“畸形子”,這是一種比通常的核更容易與物質發生作用的原子核或核碎片。當它們穿透物質時,在沒有到達正常深度前,就已經與物質發生了作用,所以它們在靶中的運動深度比正常核碎片淺得多。一些高能重離子實驗表明,大約有3%~5%的核碎片屬於畸形子。有一種說法認為,它們可能就是一種“夸克-膠子”電漿。在這類電漿中,中子、質子已被破壞得失去原來的特性,只剩下一團夸克和體現夸克間相互作用力的膠子。
包括LBL,世界上共有4台高能加速器作為重離子核反應的研究基地。到1982年為止,LBL已經能加速直到鈾元素的全部重離子;美國布魯克海汶國家實驗室(BNL)可以把16O、32S、192Au加速到15GeV/N(eV/N為每核子電子伏);歐洲原子核研究中心(CERN)可以把16O、32S加速到60GeV/N;美國布魯克海汶國家實驗室擬在1996年建成的相對論重離子對撞機(RHIC),投資4億美元。它建在原本為建造質子-質子對撞機所開掘的隧道里,隧道周長3.8km。它包括兩個巨大的超導磁環,最大磁場3.8T,可以使質量數小於或等於200的離子能量達到100GeV/N。它的一個重要目的就是研究在高溫、高密條件下,實現普通核到夸克-膠子電漿的相變。在今後的20年內,相對論重離子物理可望獲得重要進展。

重離子研究

(1)探索夸克-膠子電漿(QGP)
相對論重離子物理學是發展較快的核物理前沿領域,也是今後若干年核心物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度(達到1012K,即太陽中心溫度的 60000倍)以及極高密度(10倍於正常核物質密度)下,核由強子態向夸克物質態,即夸克-膠子電漿的相變。這項研究具有極其重要的意義。首先,夸克-膠子電漿是人們長期以來渴望求到卻又難以得到的一種物質形態。夸克-膠子電漿與一般的電的電漿不同,在夸克-膠子電漿中,夸克在強子外是自由的,而整體上又是色中性的。如果說,上一世紀給本世紀留下了兩個謎,一個是無絕對的慣性系,一個是波-粒二象性,這兩個謎已隨著愛因斯坦的相對論及量子力學的建成得以解決,那么,本世紀粒子物理學的發展又使另外兩個更深層次的謎,一是對稱性破缺,一是夸克禁閉呈現了出來。當前,描述自然界四種基本作用的理論是,描述強相互作用的量子色動力學(QCD),描述電-弱相互作用SU(2)×U(1)的模型理論,描述引力作用的廣義相對論,這些理論的最終統一將使這兩個謎獲得最終解決,而相對論重離子物理研究又直接與這兩個謎相關,正因如此,有人稱這項研究具有“世紀性的地位”。當兩束高能重離子相撞時,雖然在極短的時間內,離子之間無重子分布,是一種物理真空區域,但是它卻比一般的真空能量密度高得多,因而是研究真空激發態的理想區域。這時物質的有效質量為零,手征對稱性得以恢復。此外,又根據核的相變理論,在正常溫度TN和正常密度ρN條件下,一般核物質處於正常核態;但當密度達到2ρN時,可能出現π凝聚,這是核物質具有較高秩序的狀態,類似晶體點陣排列的原子;當密度達到5ρN左右,單個核子產生許多新的激發能級,核變為激發態的強子物質;若再進一步壓縮核物質,使密度達到10ρN左右,核由強子激發態繼續發生相變,此時出現解除夸克禁閉,夸克跑出核子外,在比核子大得多的範圍內自由運動。此時,夸克與夸克間相互作用粒子組成夸克-膠子電漿(QGP)。雖然這種理論分析尚有許多不確定因素,卻引起了許多人的興趣。人們一致認為,高能重離子反應是實現這一相變的最有希望的途徑。有人估計,要實現普通核的非禁閉相變,核碰撞質心能量要達到100GeV/N。預計在1996年建成的美國布魯克海汶國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)將能滿足這一要求。
(2)格點規範場理論對相變條件的預言
為探索夸克-膠子電漿,首先應從理論上估計核物質由強子態向夸克-電漿相變發生的條件。先從核物質密度與強子密度之差估算相變所需要的能量。其結果是,當核密度提高到正常態的4倍時,相變即可實施。然而這種方法僅只是一種估算,精確的方法應採用格點規範理論。在強子尺度的小範圍內,研究夸克的物質運動規律時,量子色動力學採用了微擾展開的方法,這種微擾法取得了很大的成功。但是在大於強子的尺度上,夸克-膠子的等效相互作用強度並不小,由於交換動量的結果,使夸克-膠子體系產生了各種非微擾量,原來的微擾法不再適用。在強相互作用中,這種非微擾效應表多方面。從粒子的質量看,質子的質量恰好是938MeV,Δ粒子的質量是1236MeV,π0介子質量是135MeV,為什麼它們恰好是上述值,這實際上就是一種由非微擾效應產生的結果。此外,粒子的壽命、衰變現象、零點波函式、磁矩結構函式甚至真空結構等,也都是夸克-膠子在大距離上的作用效應,也屬於非微擾效應產生的結果。這些現象與非微擾效應的關係,是粒子物理學中十分重要而又未被完全開發的領域。1974年,美國康奈爾大學的威爾遜(K.G.Welson)提出了格點規範場理論,用以解釋非微擾現象。其作法是,先設法在4維時空中取一系列等間隔的格點,連續的時空被一系列離散的格點所代替。他規定,膠子規範場只在格點間的鍵上起作用,而夸克費窯場則定義在格點上。由上述場量組成的格點作用量具有規範不變性。當格點間的距離趨於零時,格點作用量趨於原有的量子色動力學作用量,格點規範理論趨於連續時空的規範理論,與連續時空的漸近自由相對應。下一步做法是,先在格點體系中計算各個物理量,然後再把格點間距趨於零,就可望得到真正的物理量,特別是那些非微擾量了。
事實上,微觀世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來的。當認識水平未達到一定的層次時,先討論微擾量只是一種對複雜事物的簡單處理方法。格點規範場理論的建立表明,人的認識水平又向更高層次邁進了一步。此外,由於粒子物理與統計物理的研究對象都是有無窮多自由度的體系,格點微擾理論把它們之間的相似性突出地表現了出來。然而,格點規範理論的計算是很複雜的,因為每個格點有四個正方向共四個鍵,在SU(3)規範不變條件下,每個鍵有8個獨立變數,每個格點又有正反夸克場,每個夸克場有4個Dirac分量,有三種色,至少有四種味,這樣一來,對於每邊有16個格點的四維立方體,就有200萬個獨立變數。由於系統複雜,尚不能使用解析方法求解。但是由於理論的規範不變性,使討論對象具有群積分的性質,可以用數值計算方法計算。1981年,帕瑞西等人利用布魯克海汶國家實驗室的大型計算機,使用抽樣計數方法,即蒙特卡羅數值計算法,計算了這些群積分,不僅首次得到了π介子、質子、Δ粒子等強子的質量,而且還得到了π介子衰變常數以及標誌手征對稱性自發破缺不為零的數值。以後,又有人用同樣方法計算出更有意義的結果,例如證實了兩個重夸克之間的位勢隨距離的增加,呈現由庫侖位勢向線性位勢的變化。這一結果證明了夸克之間距離加大時,存在有越來越大的作用力,結果使它們“禁閉”起來(漸近自由)。計算結果還顯示,溫度增加到一定程度,即高能粒子互撞時,夸克的自由能突然加大。這表明,在高能散射中,它們有可能從“禁閉”中被“解放”出來,相變的臨界溫度為200MeV、密度為正常核密度的5倍以上,達到這一條件相變即有可能發生,這一結果確實給人極大的鼓舞。

實驗嘗試

1986年,歐洲原子核研究中心(CERN)在SPS加速器上首次進行了(60GeV~200GeV)/N的氧束流衝擊重靶的實驗,這是一次較為成功的相對論重離子實驗。在這以前所做的有關實驗,如 CERN的p-p,α-α實驗;費密實驗室的p-p實驗,雖然能量很高,但由於碰撞粒子的質量太輕,高能密度聚集的範圍太小,而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶實驗,雖然粒子足夠重,但每個核子的能量只有1.8GeV,這個值又太低,使碰撞區的溫度不夠高。還有的雖然能量足夠高,但實驗的統計性又太差,事例數太少,都未能獲得成功。
在CERN的這次成功實驗中,發現了人們所期待的“J/ψ抑制效應”,它是QGP存在的跡象之一。根據理論分析,J/ψ粒子有三種衰變方式,它可能衰變成兩個電子,e+和e-;還可能衰變成兩個μ子,μ+和μ-;或者衰變成強子。在高能碰撞中,強子也可能產生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子組成,自由的c對存在有束縛態。當有QGP產生時,由於德拜禁止效應的存在,會抑制c束縛態的出現,因而不能組成J/ψ粒子,或者說J/ψ中產生的幾率下降,於是J/ψ中粒子產額抑制現象常被當作為QGP出現的信號。
CERN使用的是200GeV/N的32S打擊238U,所形成的體系可能是發射π介子和K介子,也可能發射J/ψ粒子,J/ψ粒子又可能再衰變,通過衰變粒子,如μ+和μ-,來判斷J/ψ粒子的產額。在碰撞區形成一團火球,邊緣地區的J/ψ粒子產額竟然是火球中心的1.6倍,由此判定,碰撞中心出現了J/ψ抑制,即有產生QGP的跡象。
另一個顯示出現QGP跡象的實驗是在美國布魯克海汶國家實驗室進行的,這是測定K++比例的實驗。他們使用了14.5GeV/N的28Si束打擊Au靶,觀測K+與π+產額之比,並與質子對撞情況相比較。他們認為,如果有QGP產生,π+、K-和π+產額將減少,至多是不變,而K+的產額卻要增加,這樣一來,有QGP時,K/π+產額比值應加大。他們的實驗結果是:28Si打擊Au後,K++產額比值由質子對撞時的0.07上升為0.20,而K--的比值則與質子對撞時一樣。
重離子對撞實驗是很複雜的。根據理論計算,在現有的條件下,對撞區的溫度可達到200MeV左右,這個溫度在相變臨界溫度附近,所形成的火球的橫向半徑大約有4.3~8.1fm(1fm=10-15m),徑向半徑約有2.6~5.6fm。一個碰撞事例往往可以產生500個以上的次級粒子,處理這樣複雜的事例以及處理如此大量的特徵信號是件極為困難的事,因此,通過上述特徵估計 QGP的形成仍只是一種試探。即使如此,由於理論物理學家已給出相變存在的可能性,也由於實驗物理學家又較成功地處理了如此複雜的反應事例,還由於相對論重離子碰撞實驗已達到了理論預言的能區,更由於這項研究目標所具有的深遠的意義,這一切都使得夸克-膠子電漿的研究成為核物理學前沿的熱點課題之一。

奇異核

所發現的另一種核物質的新形態是包含其它強子的核多體系統,又稱奇異核,例如Λ超核、Ζ超核以及反質子核等。只有Λ超核為實驗所肯定,已開展了一些Λ超核譜學及生成Λ超核機制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發現的。1952年,波蘭物理學家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中,發現一個特殊的事例。這是一個高能質子擊碎了核乳膠中的銀原子,產生的一個碎片,再通過發射帶電π介子和一個質子衰變,碎片衰變的特徵與理論上預料的Λ超子完全相同,因而認定這個碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子,根據強相互作用要求,它的奇異數與重子數守恆,因而Λ超子在核物質中相對強相互作用是穩定的,只能產生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命,因而在實驗中可以比較容易地觀察到Λ超核。已經在實驗中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個Λ超子的雙超核,甚至包含若干個Λ超子的∑超核。超核的發現,不僅打破了過去原子核只是由中子、質子組成的傳統看法,而且通過超核的研究,還進一步獲得了有關核結構與強相互作用的認識。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的一個重要分支領域。奇異核伴隨有奇異的現象。首先,與普通核相比,奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有:α衰變、β衰變(包括電子俘獲過程)、γ衰變(包括內變換過程)和自發裂變等,奇異核則除了上述方式外,還有一些奇異的衰變方式。例如,奇異核β衰變可釋放很高的能量,經β衰變後的末態核仍處於較高的激發態,若這一激發態的能量高於其中的核子或核子集團的結合能時,這個末態核仍有可能把多餘的能量釋放出來,退激發而變為一種新的核,稱為子核。這種奇異衰變分為兩個階段,同時有三代核素參與,然而由於第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多,在實驗觀測時,僅觀察到第一階段的β半衰期,故常把這種放射性稱為β延遲粒子發射,或緩發粒子發射。其實,早在1916年盧瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)和伍德(Robert Williams Wood,1868~1955)在研究212Bi引起的螢光現象時,就曾發現大量具有一定能量的α粒子中,混有少量具有較高能量的長射程α粒子,這實際上就是β衰變緩發α粒子。雖然他們觀察到這個現象,卻不明白其成因。直到1930年,伽莫夫(GeorgeGamow,1904~1968)也觀測到了這個奇特的現象,才對它做出了解釋。伽莫夫認為212Bi先經過β衰變到212Po,如果212Po處於激發態,它再放出帶有該激發態能量的α粒子,這部分激發態能量轉化為α粒子的動能,因而具有較高的能量。如果處於激發態的212Po先經過γ發射回到基態,就會發射低能量的α粒子。212Bi就是緩發α粒子的先驅核,而末態核發射α粒子後變為218Po,就是緩發α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測到的β緩發衰變僅只是一種天然放射現象
1937年,列維斯第一次人工地產生了β延遲α發射的先驅核8Li。1939年,羅伯茨又在中子轟擊鈾的實驗中,首次探測到了β延遲的中子發射。50年代末,卡爾諾克霍夫首次觀測並鑑別出β延遲的質子發射先驅核。此後,被發現的先驅核數量增加很快。近20多年來,大規模尋找緩發粒子的先驅核,並利用這種奇特的衰變方式研究奇異核的性質已成為核物理研究中的一個重要課題。
近十多年來,由於實驗技術的發展,又陸續發現了β延遲衰變後兩個或三個核子發射的奇異衰變方式。1979年9月歐洲原子核研究中心的一個研究組觀測到了β延遲的二中子發射,以後又觀測到三中子發射。1984年,勞侖斯-伯克利實驗室的一個研究組在88英寸的回旋加速器上,觀測到了土22Al的β延遲二質子發射現象。接著歐洲原子核研究中心又線上同位素分離器上發現了11Liβ延遲3He和3H的衰變。在奇異衰變研究中,值得注意的是重離子的奇異放射研究方面的進展。1984年,牛津大學的一個研究小組發現了一個奇特的現象。223Ra的α衰變半衰期通常為11.4d,然而在這種衰變中,他們卻發現了能量在30MeV的14C離子。這一現象出現的幾率很小,大約在109衰變中才有一次,由於他們沒有放過這個很容易被疏忽的現象,以後又陸續發現了222Ra、224Ra和226Ra的14C衰變;230Th、231Pa、232U、233U和234U的24Ne衰變以及234U的28Mg衰變。這一放射性所發射的實際上是核子集團,從而反映了核核心子的組合方式。對這一奇異現象的解釋,以及尋找新的重離子發射核實驗已經成為核物理中活躍的研究領域。除了奇異的衰變方式以外,奇異核還表現出奇異的形變特性。過去,通常把核認作為球形,如早期的核液滴模型以及獨立粒子殼層模型等。1952年阿·玻爾和莫特遜提出了原子核集體模型,利用這一模型計算核在各種情況下的能量時發現,有些核在特定的變形下能量最低,稍微偏離這種變形,能量上升很快,這種核被稱為硬的變形核;有的核在一定的變形範圍內,能量的變化不大,被稱為軟的變形核。按照這一模型,除了核子可以在核內運動外,原子核還可以作為整體振動或轉動。處於不同狀態的核,具有不同的能量和角動量,並對應一定的形狀,這些能量又不是連續的。通過大量的β穩定線附近的核研究,人們已經找到了核的能級分布與形狀間的關係。
當核轉動時,如果形狀發生變化,轉動慣量相應改變,就會導致核轉動能級分布情況變化。這一規律的研究已成為研究奇異核的基礎。在70年代,實驗上已經發現,某些核可以有不同的形狀,它們對應著不同的能級,有一組建立在球形基態上,能級的間隔較寬;另一組開始的間距較小,後來越來越大,它們對應著硬變形核的轉動和振動。這種不同形狀的狀態在核中同時存在的現象,稱為形狀共存現象。對這一現象的研究,使過去曾被認為截然不同的異形核與變形核之間找到了某種聯繫。核的變形程度通常用一個參數β描述。β近似等於核長短軸之差與兩軸平均長度之比。典型變形核的β值在0.2~0.25範圍。β在0.35~0.4範圍時,稱為超變形核。超變形核的第一激發態能級往往很低。β值及極低的第一激發態成為超變形核的兩個判據。早在1981年,摩勒和尼科斯就曾根據對奇異核研究的結果從理論上預言,中子數和質子數在38附近的核,屬於自然界中最強變形的核。果然,人們在遠離β穩定線區域檢驗球殼層模型中發現,質子數和中子數都接近幻數40的核,如74Kr、76Kr核具有非常大的變形。奇異核研究已與重離子核物理相結合,人們廣泛採用中、高能重離子束,通過彈核破裂的反應機制合成新的奇異核素,並通過核素分離產生的次級奇異核束流研究奇異核反應及其性質。

歷史

發現電子的約瑟夫·湯姆孫是第一位闡述原子的內部結構的人,其原子模型稱為梅子布丁模型,物理學家們還發現,三種類型的輻射來自原子,它們命名為α、β和γ輻射。1911年由為莉澤·邁特納奧托·哈恩,由詹姆斯·查德威克在1914年發現了β衰變譜是連續而非離散。

未來發展

研究超重原子核和超重元素,探索原子核的電荷和質量極限,是重要的科學前沿領域。超重原子核的存在源於量子效應。上個世紀60年代,理論預言存在一個以質子數114和中子數184為中心的超重穩定島,這極大地促進了重離子加速器及相關探測設備的建造和重離子物理的發展。到目 前為止,實驗室合成了118號及之前的超重元素。其中116號、114號和113號以下的新元素已被命名。利用重離子熔合反應合成更重的超重元素還面臨著很多挑戰,需要理論與實驗密切結合,探索超重原子核性質與合成機制,以登上超重穩定島。

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