原子核结构的研讨论文.doc

原子核结构的研讨论文 论文摘要 从根本上解决核力问题,进而得到一个自然界的普遍规律,即原子核是由质子与中子较均匀地相间排列,然后首尾相连而构成的核子环,围绕其自身的轴线高速转动而形成的壳层结构的带电液滴球核核子环的成环张力是由核环上所有质子相互推斥提供的这样就得到了原子核这个微观量子多体系的直观结构图象核子环 关键词：核键核子环次中子 原子核的直观结构(I) 原子核是物质结构的一个层次它介于原子与粒子之间是由质子与中子（统称核子）组成的非相对论量子多体体系此量子多体体系的结构图象是由核内的质子与中子依靠一种短程的强相互作用力来维系的这种核子间的强相互作用称为核力或者强力 目前对原子核的结构及其运动规律的了解是“多侧面”的：它既具有“独立”核子在由其它核子构成的平均场中运动的性质而又突出地具有核子间有强耦合的集体运动性质；它既是一个由核子构成的非相对论量子多体体系而又反映介子、重子乃至夸克自由度的复杂介质；它既是一个有一定量子数的有序物质状态而又表现出明显的统计性及在一定条件下具有量子混沌的行为由于核力问题并没有根本解决各式各样的核结构型虽在一定程度上从某些侧面成功描写了原子核结构所表现出的丰富多彩的多样性但也都有各自的问题、困难和局限性1 因此我们如何才能用简单、单一的描述来说明原子核这个体系的性质及其运动规律呢如何使各种核模型统一起来呢也就是说各种核子究竟是按一种什么样的规律组合在一起的原子核的直观结构是怎样的这是从根本上解决核力问题的关键以下论述是本文作者的一种大胆尝试！ 一、核子间核力作用的饱和性 由于核子是有内部结构的粒子我们把它们想象成象原子或离子那样能够相互成键我们把各种核子间形成的核力（近似地说是静态的与核子速度无关但存在与速度相关的力）统称为核键即核子间通过传递、交换兀介子而相互成键（兀介子的静止能量比核内核子的动能大得多）从而出现了兀介子云的叠就像电子云的重叠那样这是一种短程吸引力作用范围小于是1015米既使在这么小的范围内键长也是变化的一般中子与质子之间形成的核键的键长较短中子与中子、质子与质子之间形成的键长较长在原子核内具有最短键长的核键的单个键能即为核子平均结合能（88.5M）一般成键后的不同核子不能互相转化 核子间的成键与原子成键相似很具有饱和性就是说一个核子同直接与之接触的不同类核子有核力作用后同其它核子无核力作用一个质子最多只能同两个直接与之接触的中子成键而质子成键达完全饱和键态即 H空间平面直观结构可能为“”（中子质子）而一个中子最多也只能同两个直接与之接触的质子成键达完全饱和键态即He空间平面直观结构为“”中子（质子）之间成键不具饱和性一个中子同直接与之接触的中子都能成键但结合得不紧密是一种弱的束缚易因中子的激发而被自动破坏 二、原子核的直观结构 既然核子成键具有饱和性那么它们是怎样组成稳定的原子核的呢原来原子核并不是那种单纯的“核”而是由质子和中子较均匀地相间排列成键然后首尾相连而构成的核子环围绕其自身的轴线高速转动而形成的壳层结构的带电液滴球核由于核子都集中在核子环上因此核内是空心的即原子核具有空虚的质心核环转动形成的球形核就象乒乓球一样形成的椭圆形核就象蛋壳一样核环的成环张力是由核子环上所有质子相互推斥提供的这样原子核外观表现为质子间的较大库仑斥力使核环伸张内观则表现为核子间的核力这种强力使核子一个拉着一个使核收缩从而产生核的表面张力但核的表面张力远大于质子间的斥力之所以能维持平衡是因为核力具有饱和性的缘故另外因核的转动使核子产生离心力原子核内的斥张力及离心力同核的表面张力的相互抗衡维持着原子核空间结构的相对稳定存在 在核子环上每个核子只与它两侧的核子有核力作用形成两个核键达饱和而与其它的核子一般不再有核力作用这就是核力在原子核内的饱和性正由于这种饱和性使原子核这个多体体系的性质从复杂归于简单、单一核子环成为环上任一核子运动的平均场 三、原子核的运动形式 原子核的核环上质子均匀排列的空间有序性与核外电子的规则排布相联系核子环的自转是环上所有核子独立运动有矢量和即单粒子运动必须服从或服务于统一的整体转动这是综合模所描述的核子在核内单粒子运动与集体运动相耦合原子核作为一个微观量子体系核子环的集体转动并非像流体那样作非旋转动它的集体转动是指原子核势场空间取向的变化2 由于核子环整体向一定方向自转（顺时针或逆时针）质子也都相应做环系运动从而产生环系电流这样就使原子核中显示出质子的正电移动性质子流因此它们的统一运动产生了相同的磁场这样核环就有了较固定的旋轴线核轴线（沿磁极方向就象地磁线一样）中子也同样产生中子流中子流与质子流它们占据着各自的量子轨道（能级）虽然通过核子核子相互作用不断地交换着能量、动量和角动量但它们大体上保持着相对的独立性即从总体上看它们近似地保持着原来的运动状态这正是独立粒子模型即壳模型所描述的核子的高能级轨道是与轴线垂直的核的腰部核子的低能级轨道是轴线附近的核的端部这样核内核子表现出两重性粒子空穴性核内核子的填充状态是一种轨道运动的几率分布不再以费米面作为占据或空缺的自然分界线这是引入准粒子时所描述的而核子环转动所形成的相对薄的表面及核子环的变形使核物质有低的可压缩性正是液滴模型的两个基本假设3 核子环上的核子大体上可看成是在同一个平面上圆面的转动形成了旋转球体的原子核核环上的核子时时刻刻都在平衡形状附近做或强或弱的形状振动这种振动从外观上看是原子核体积不变化的表面振动如果因个别核子的动能（破坏核环形状的）太大迫使核环发生形变离开原来的平衡形状成为椭圆环它们在转动时就成为椭球体这样就形成了某些原子核电荷分布的非球对称而是具有旋转椭圆球的对称性正是由于核子绕轴线转动形成的对称性使核子在轨道上运动具有如下特点：在同一能级的轨道上可能运动着核子环上对应着的一对质子或一对中子也就是说在同一量子轨道上运动着一对核子 四、原子核的稳定性 在原子核中质子与中子的有机组合构成了原子核的直观结构在核环上有多少个核子就应有多少个核键如12C核环上有12个核键13C则有13个核键这些核键是一个统一的整体破坏一个原子核必须给予其核子环上应有的若干个核键的总能量总结合能E总 一些稳定的原子核（包括基态核）的平面直观结构（可能的轴线）如下图所示： HeLiLiBe 同它们结构相似的又如12C、13C、14N、15N、16O、17O、20Ne、23Na、32S、40Ca等等 一般情况下原子核最稳定的结构是中子与质子均匀相间排列的核子环且N=Z它们是“具有高度的中子质子对称性的球形自轭核”它们的核环上任一核子都达到了完全饱和键态中子与质子结合得很紧密电荷分布为球对称如奇奇核14N和偶偶核16O等在这样的核环上加入（或去掉）一个或几个中子成键在核环一处或几处出现了剩余相互作用即相同核子间出现了不饱和核力核圆环可能因此变形为椭圆环从而形成了近球形核以上正是平均场理论所描述的4 对于中子数多于质子数较多的中等核及重核它们的核环上可每相隔两个中子再排列一个质子形成的核也是稳定的即ZN2Z但核环上最多一处可排列三个相连的中子如果中间的那个中子不稳定具有很大的动能（使核环发生形变的而非转动的动能）核环为阻止自身的形变在核的表面张力作用下会迫使其发生衰变使其衰变成质子然后与两侧的中子恰形成饱和核键而达到稳定或者此中子虽无大的形变动能但受到核环上强大的表面张力的压迫、冲击达到弱作用范围也会发生衰变这就是重核的衰变 在饱和的核环一处去掉一个中子（可加入一个质子）会使两个质子直接作用达到了弱作用范围其中的一个质子会发生+衰变衰变成一个质量仅次于质子的中性新粒子次中子然后重新形成核键但次中子是不稳定的它能吸收光子（e+e）而转变成中子如发生+衰变后的重核伴随着正负电子对的吸收现象就反映了次中子的这一特性如果质子不发生+衰变也可通过俘获K电子使其中的一个质子转变成中子而重新形成稳定的核键可见中子与质了在原子核内互相限制、彼此制约并且中子在原子核内的作用就是起到连接质子的作用当中子数少于质子数时原子核就会不稳定会发生+衰变或K俘获虽然核自由中子会发生衰变但在原子核内与质子成键后的束缚中子不会发生衰变这是饱和核力作用的结果 当核环上的中子与中子直接相连时两个中子成键均未饱和出现剩余相互作用可仍与外来的低能量的中子形成弱的核力但不在弱作用范围内不会发生衰变这个中子没有能力加到核子环上去而是在核环外围形成很长的核键因量子运动而形成核的中子晕或核的中子皮如11Li、11Be、14Be的中子晕及6He、8He的中子皮这些具有中子晕的或中子皮的原子核是一种弱束缚态的密度不均匀的体系5 对于重核中子与中子直接连接处较多剩余相互作用较大在核内起主导作用当核环变形为梭形时在核的两端尖部会引起衰变使核环向圆环状恢复这样就会发射粒子核子环能够变形与转动频率有关在较低角动量时原子核形成一个中等形变的扁椭圆形状随着角动量的增加原子核具有长椭球形变或三轴形变当角动量继续增加时核环将在剩余相互作用下发生裂变此时剩余相互作用能克服质子间的斥力及转动引起的离心力使核子重新组合成两个或多个子核环以上是由原子核的转动液滴模型所描述的6 千变万化的核反应就是使核环上局部的核子间原来的核键被破坏并重新形成更强的新核键的过程同时通过发射粒