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原子核结构的一些基本问题与我国的核结构研究概况 赵恩广中国科学院理论物理所 北京大学物理学院 前言 国际核物理的春天四大前沿领域 1 Nucleiatextreme2 Tothequarkstructureofmatter3 Thephaseofnuclearmatter4 Fundamentalsymmetriesandnuclearastrophysics新加速器 TJNAF美国高能强流连续电子加速器RHIC美国相对论重离子加速器LHCCERN重离子加速器 每核子上千GeV能量JHF日本 质子50GeV放射性核束加速器 RIB 美国橡树岭 A1200 美国MSULISE 法国GANIL FRS 德国GSIISR RIBLL 中国兰州超过历史任何时期中国核物理的春天新加速器 国家 73项目 基金委的重点项目 科学院的重大项目核武器 核能 原子核性质表现的多样性气态 液态 固态形状的多样性理论的特殊性参考文献 1 新世纪物理学 原箸 德国物理学会 翻译 中国物理学会 山东教育出版社 2006 p34 45 本讲内容分为三个部分第一部分 是本次讲座的主体 主要介绍核结构物理的基本内容 但比较偏重理论方面 第二部分 对几个基本物理问题提出一些探讨性的看法 第三部分 是关于我国近20年原子核结构研究的综合介绍 它是由中国核物理学会原子核结构专业委员会组织编写的 这里作为附录收入 供学员自学时使用 一 核结构理论概论 1 原子核结构的主要研究内容原子核结构 nuclearstructure 主要是研究核子 也就是中子和质子在核力的作用下 如何在核内运动 以及原子核的性质 如何由核子的运动所决定 由于核子由夸克组成 夸克间的相互作用由胶子传递 所以 核结构的研究 也会涉及夸克 胶子自由度在核内的表现 在一定条件下 超子也会被束缚在核内 形成超核 超核性质的研究 也构成核结构的一个研究领域 参考文献 1 原子核理论讲义 夏蓉 杨立铭 于敏等 高等教育出版社 1960 2 原子核物理学 梅镇岳 科学出版社 1961 以上两本书是我国最早用于教学的核物理书籍 从历史的角度 把它们列在这里 3 nuclearmodels GreinerandMaruhn Springerand世界图书出版公司 2003 2 最早的核模型 液滴模型 在上个世纪三十年代中期时以后 把原子核类比液滴 产生了最早的核模型 液滴模型 人们曾应用液滴模型解决了不少核结构问题 给出了核结合能的定量公式 为核的集体运动和裂变提供了形象化的几何模型 即使在今天 液滴模型仍然经常被使用 特别是在超重核的研究中 它依然在发挥作用 参考文献1 原子核的宏观模型 p19 58 胡济民 钟云霄 山东科学技术出版社 1998 2 原子核物理学 p5 10 王炎森 史福亭 原子能出版社 1998 3 壳层模型 壳层模型是迄今为止最成功的核模型 核壳层模型的物理基础是 泡利原理大大地限制了核内有着强相互作用的核子的可能运动状态 因而可以近似地用平均场中的独立粒子运动 来描述原子核的状态 从实验中导出的核内核子平均自由程很长 几乎与原子核的尺寸相当 这也支持核内核子近似独立粒子运动的假定 最简单的独立粒子运动模型 是费米气体模型 它能给出原子核的平均密度 平均动能等整体性质的定性估计 但是 真正能定量计算原子核性质的 还是壳模型 早期的壳模型的平均场是带有大的自旋 轨道耦合项的球形位势 成功地解释了幻数和大量球形核的基态性质 Mayer和Jensen为 关于核粒子壳层结构方面的发现 与Wigner分享1963年物理学诺贝尔奖 原子核壳模型不断在发展 出现了各种改进的壳模型 如 针对非球形的原子核 发展了变形的壳层模型 即得到广泛应用的Nilsson模型 能考虑原子核转动的推转壳模型 投影壳模型 以及近年来才发展起来的有可能对重核做 精确 计算的Monte Carlo壳模型 这样 就使得壳模型能解释的实验数据越来越多 适用的范围越来越大 几乎成为各种宏观的 唯象模型的微观基础 壳层模型是迄今为止最成功的核模型 参考文献 1 Elementarytheoryofnuclearstructure M G MayerandJ H D Jemsen JohnWiley NewYork 1955 2 原子核结构理论 p51 118 曾谨言 孙洪洲 上海科学技术出版社 1987 3 Simplemodelsofcomplexnuclei I Talmi harwoodacademicpublishers 1993 4 Theoryofthenuclearshellmodel R D Lawson Oxforduniversitypress 1980 5 Thenuclearshellmodel K L G Heyde 世界图书出版公司 北京 1992 4 原子核的综合模型 最稳定的双幻数核都是球形的 但是 在两个幻数之间的核 却是变形的 这可以由它们具有大的电四极矩所表征 同时 人们还发现 与分子光谱相似 在核谱中也有振动和转动特征的谱线 这表明 除了近似的独立粒子运动模式之外 原子核还有很多核子相干参与的集体运动模式 虽然 原则上壳模型也可以描写这种集体运动 但是 在实际计算中 却会变得非常复杂 甚至难以进行 因此 对原子核的集体运动 人们经常应用的是更唯象的Bohr等最先提出的集体模型 在集体模型中 与液滴模型的想法类似 仍然把原子核看成无旋的流体 对相应的哈密顿量量子化 就可以成功地描述原子核的振动和低激发的转动能级 人们也可以在固定在原子核上的坐标系里描述核内的多粒子运动 同时 在实验室坐标系内描述原子核的集体运动 然后 把二者结合起来 给出原子核运动的全貌 这就是原子核的综合模型 1975年 Bohr Mottelson和Rainwater 因为发现了原子核中集体运动和粒子运动的联系 在此基础上发展了核结构理论 共同获得物理学诺贝尔奖 参考文献 1 原子核结构理论 p119 188曾谨言 孙洪洲 上海科学技术出版社 1987 2 Nuclearstructure A BohrandB R Mottelson WordScientific 1998 3 近代原子核模型 廖继志四川大学出版社 1990 5 新运动模式 随着重离子加速器的建造 通过重离子核反应 可以使原子核得到自然界最高的旋转频率 可以高达每秒1020 21次 这时的原子核会显示出很多独特的性质 对这种高速旋转的原子核性质的研究 已经成为核物理的一个重要分支领域 高自旋物理 当原子核的激发能超过单核子发射阈能时 还会出现另一种集体运动模式 即原子核的各种巨共振 宏观的流体力学模型把巨共振看成各种核子流的整体运动 微观模型则把它看成粒子 空穴激发模式的相干迭加 低激发的转动能级 反映原子核处于非球形的变形状态 但是 这种形变是不大的 二十世纪八十年代中期 通过重离子反应 可以使原子核具有很大的形变 当原子核的长轴与短轴之比接近2比1时 其形变比较稳定 人们把它称为超变形核态 这时的原子核 具有很高的激发能 一般来讲 这样高的激发能 是原子核的混沌状态区 但是 原子核的超形变态是出现在混沌区的规则运动 超变形核态的研究 已经成为核结构研究的一个重要前沿领域 对原子核的集体运动的研究 不断揭示出新的物理内容 原子核的形变 除了大量的对称椭球形外 还可以有三轴不对称形变和其他很多种奇异形变 绕X轴的对称性 使原子核有了新的状态量子数 旋称 手征带 磁转动带的发现 表明原子核转动方式的多样化 形变使原子核发生转动 而转动的不断加快又可以使原子核向球形转化 导致转动带的死亡 也就是 带终结 的发生 这已经在一些核中被观察到 参考文献 1 原子核物理进展 丁大钊 陈永寿 张焕乔 上海科学技术出版社 原子核物理基础 p423 468 宁平治 李磊 闵德芬 高等教育出版社 6 核内的核子关联 原子核内少数核子间的关联 特别是两个核子间的对关联 是很重要的 核子也可以配成库伯对 导致核超导 关联 是核结构计算中 最重要的核子关联 少数核子可以结合成比较稳定的集团 如 粒子等 再由这些集团组成原子核 这就是原子核的结团模型 在轻核的结构研究中 结团模型起着重要作用 在重核的 衰变中 也需要 结团的形成 中子和质子都是费米子 它们可以配成角动量为0 1 2 3 4等整数值的对结构 然后把这些对结构近似看成玻色子 用多个玻色子来描写原子核的集体运动 这就是二十世纪七十年代中期提出的原子核相互作用玻色子模型 简称IBM 它能统一地描写原子核的振动 转动以及处于二者中间的集体运动模式 IBM在描述原子核集体运动上取得了重要突破 是群论方法在核结构研究中的巨大成功 参考文献 1 原子核结构理论 曾谨言 孙洪洲 上海科学技术出版社 1987 Simplemodelsofcomplexnuclei I Talmi harwoodacademicpublishers 1993 原子核的统一理论 怀尔德默德 唐尧千 原子能出版社 7 原子核的密度分布 从上个世纪五十年代起 人们用高能电子散射得到原子核的密度分布 基本上可以用费米分布表示 即 在中心区 大体为均匀分布 在外区 有一个弥散的表面层 Hofstadter为 开创了电子被原子核散射的研究以及用此获得的有关原子核结构方面的发现 与Mossbauer分享1961年的物理学诺贝尔奖 高能电子至今还是研究核结构的重要手段 在世纪之交建成的连续束流的高能电子加速器CEBAF 致力于在轻核上的散射 研究轻核的结构 特别是核内的夸克 胶子效应 由于宇宙论中 大爆炸之后的初期 宇宙处于原初核合成阶段 这时的核反应 包括现在太阳中的核反应 都是在轻核之间进行的 所以 轻核结构的研究具有特殊的意义 关于中子在核内的分布是否与质子一样 特别是对于中子数明显多于质子数的重核 是否有一个纯中子的外表层 一直是核物理界所关注的重要问题 结果是 在上世纪末 人们首先在非常丰中子的轻核中 观察到纯中子的外表层 如11Li 在正常的9Li核心之外有两个中子 它们分布在一个很宽广的范围内 就像9Li的周围有一个晕 使得11Li的物质分布尺寸几乎与208Pb一样 这样的原子核 叫晕核 至今 人们已经发现了多个晕核 参考文献 1 原子核理论 第一卷 胡济民 杨伯君 郑春开 原子能出版社 1993 p10 13 8 核多体理论的发展 在核结构研究中 各种模型理论起了极其重要的作用 同时 人们一直在致力于发展更基本 更严格的核多体理论 在这种理论中 从符合核子 核子散射的两体相互作用出发 直接处理多体问题 其中最具代表性的是 Brueckner型的核多体理论和Pandharipande等发展的变分多体理论 但是 影响最大的是前者 由于核子的平均结合能只有7 8MeV 核子在核内的平均动能只有几十MeV 对大多数的核现象都可以用非相对论量子力学来描述 但是 人们逐渐发现在不少问题中 相对论效应不可忽略 这样 相对论的核多体理论 近年来有了长足的发展 它的最突出的成就是能自然地给出核子间的自旋 轨道相互作用 并有希望应用到远离稳定线的原子核 新发展起来的放射性核束加速器 是提供新的极端条件的重要手段 它能产生很多远离稳定线的短寿命 弱束缚的核素 由于宇宙发展过程中 星体的演化 元素的形成 都和这些远离稳定线的核素密切相关 所以 对它们性质的研究具有非常重要的科学意义 对这种弱束缚体系的研究 也促进了多体理论的发展 把体系的连续态与束缚态不可分割地连在一起了 参考文献 1 原子核理论 核结构与核衰变 徐躬耦 杨亚天 高等教育出版社 2 核内介子自由度与重整化理论 吴式枢等 CCAST文集 95卷 1998 p1 64 3 原子核物理基础 宁平治 李磊 闵德芬 高等教育出版社 9 超重稳定岛 天然存在的最重的元素是第92号元素铀 比铀重的元素以及相应的核素 都是用核物理的方法在实验室产生的 有时人们称105号以上的元素为超重元素 探索超重稳定岛的存在 是当代核物理的重大前沿领域 PeriodicTableoftheElements2006 GuidetoFundamentalChemicalProperties 1 1 H 3 Li 4 2 Be 11 12 Na Mg 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr He 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba 57 La 58 72 Hf 73 74 W Re Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 104 Rf 105 107 108 109 Bh Hs Mt Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr Lanthanides Actinides 106 Ta 94 76 94 Pu Sg 75 2 3 4 6 5 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 11 113 115 118 111 110 112 114 116 Db Ha Db 重元素与超重元素的发现历史 1896年起 到1996年100年间 到112号元素合成 共30多个元素被合成102 105号元素 前苏联60年代 70年代106号元素 美国和前苏联 80年代10754Cr 209Bi 263Bn 1981 GSI108 58Fe 208Pb 266Hs 1984 GSI109 58Fe 209Bi 267Mt 1982 GSI110 62Ni 208Pb 269110 1n 1995 GSIandBerkeley111 64Ni 209Bi 272111 1n 1995 GSI Rg 112 70Zn 208Pb 277112 1n 1996 GSI11370Zn 209Bi 278113 n 2004 RIKEN中国人参与 徐瑚珊 兰州 赵宇亮 高能 114 48Ca 242Pu 287114 3n 1998 Dubna48Ca 244Pu 289114 3n 1999 DubnawithGSIandRIKEN115 48Ca 243Am 288115 3n 2004 Dubna116 48Ca 248Cm 292116 4n 2000 Dubna118 DubnaandBerkeley 2006 PRC74 2006 044602 未连接上 我国的超重合成进展 中国科学院近代物理所259Db 105号元素的同位素 2000 265Bh 107号元素的同位素 2004 26Mg 243Am 4n 265BhCfEur Phys J A20 2004