原子核

原子核

原子核(英語:Atomic nucleus)是原子的組成部分,位于原子的中央,佔有原子的大部分質量。組成原子核的有中子和質子。當周圍有和其中質子等量的電子圍繞時,構成的是原子。原子核極其渺小,如果原子是一個足球場,那麽原子核就是足球場中的一隻螞蟻。且原子中的質子分布不均。

  • 中文名稱
    原子核
  • 外文名稱
    atomic nucleus
  • 別稱
  • 提出者
    盧瑟福
  • 提出時間
    1912年
  • 套用學科
    物理,化學

​基本簡介

原子核(atomic nucleus)簡稱“核”。位于原子的核心部分,由中子和質子2種微粒構成。而質子又是由兩個上誇克和一個下誇克組成,中子又是由兩個下誇克和一個上誇克組成。原子核極小,它的直徑在10-⒖M【十的負十五次方米】]~10-⒕M【十的負十四次方米】之間,體積隻佔原子體積的幾千億分之一,在這極小的原子核裏卻集中了100%原子的質量。原子核的密度極大,核密度約為3⒕g/cm⒊【每立方米的地方裏有十的十四次方克核】,即1cm-⒊的體積如裝滿原子核,其質量將達到10 ⒏t【五的八次方噸,即7億噸】。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。利用這一性質,方便人們的生活。整個原子不顯電性,是中性。

原子核 原子核-內部結構模型圖原子核-內部結構模型圖 原子核-內部結構模型表原子核-內部結構模型表

組成部分

原子核受核力影響由質子和中子(兩種重子)組成,這些重子進一步組成的亞原子粒子基本被稱為誇克的約束。將質子和中子約束在原子核內的能量稱作束縛能,一般而言,原子量58到62的能量的束縛能最大,此即所謂的“鐵峰頂”。據目前所知,原子量小于62的元素,核聚變反應會釋放能量,原子量大于62的元素,核裂變反應則釋放能量。

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于1μs的限製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鑒別方法,估計還可能被生成或鑒別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、生成和鑒別的難度越來越大。遠離穩定線原子核研究在核物理學中佔有特殊重要的地位。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,有助于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鑒別,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誇克-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,隻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。1882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,它隻能把質子加速到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,把它配了離子源和註入器,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于強庫侖作用,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”凈,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製約的作用。若核力較強,原子核比較穩定;若庫侖力較強,核就容易裂變。由于中子隻參與核力作用,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。可裂變的鈾核正處于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,庫侖力佔優勢,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,把高能裸核註入乳膠探測器中,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,在把這個表述式用于氫和氦等簡單原子時,由于較高階項帶來的修正在實驗中不易被察覺,常被略去不計,可是對于類氦鈾原子,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徵質的“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%的核碎片屬于畸形子。有一種說法認為,它們可能就是一種“誇克-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徵,隻剩下一團誇克和體現誇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裏,隧道周長3.8km。它包括兩個巨大的超導磁環,最大磁場3.8T,可以使質量數小于或等于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,實現普通核到誇克-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)探索誇克-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,也是今後若幹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倍于正常核物質密度)下,核由強子態向誇克物質態,即誇克-膠子電漿的相變。這項研究具有極其重要的意義。首先,誇克-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。誇克-膠子電漿與一般的電的電漿不同,在誇克-膠子電漿中,誇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,那麽,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,一是誇克禁閉呈現了出來。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-弱相互作用的 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,在正常溫度和正常密度ρN條件下,一般核物質處于正常核態;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,此時出現解除誇克禁閉,誇克跑出核子外,在比核子大得多的範圍內自由運動。此時,誇克與誇克間相互作用粒子組成誇克-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

為探索誇克-膠子電漿,首先應從理論上估計核物質由強子態向誇克-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。然而這種方法僅隻是一種估算,精確的方法應採用格點規範理論。在強子尺度的小範圍內,研究誇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。但是在大于強子的尺度上,誇克-膠子的等效相互作用強度並不小,由于交換動量的結果,使誇克-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,這種非微擾效應表現在多方面。從粒子的質量看,質子的質量恰好是938MeV,△粒子的質量是1236MeV,π0介子質量是135MeV,為什麽它們恰好是上述值,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,也都是誇克-膠子在大距離上的作用效應,也屬于非微擾效應產生的結果。這些現象與非微擾效應的關系,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,膠子規範場隻在格點間的鍵上起作用,而誇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。當格點間的距離趨于零時,格點作用量趨于原有的量子色動力學作用量,格點規範理論趨于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于零,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。當認識水準未達到一定的層次時,先討論微擾量隻是一種對復雜事物的簡單處理方法。格點規範場理論的建立表明,人的認識水準又向更高層次邁進了一步。此外,由于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復雜的,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,每個格點又有正反誇克場,每個誇克場有4個Dirac分量,有三種色,至少有四種味,這樣一來,對于每邊有16個格點的四維立方體,就有200萬個獨立變數。由于系統復雜,尚不能使用解析方法求解。但是由于理論的規範不變性,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電腦,使用抽樣計數方法,即蒙特卡羅數值計演算法,計算了這些群積分,不僅首次得到了π介子、質子、△粒子等強子的質量,而且還得到了π介子衰變常數以及標志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,例如證實了兩個重誇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。這一結果證明了誇克之間距離加大時,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,誇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的氧束流沖擊重靶的實驗,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,但由于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,但每個核子的能量隻有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抑製效應”,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,由于德拜禁止效應的存在,會抑製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,于是J/ψ中粒子產額抑製現象常被當作為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抑製,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+/π+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+/π+產額比值由質子對撞時的0.07上升為0.20,而K-/π-的比值則與質子對撞時一樣。

重離子對撞實驗是很復雜的。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,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,處理這樣復雜的事例以及處理如此大量的特征信號是件極為困難的事,因此,通過上述特征估計 QGP的形成仍隻是一種試探。即使如此,由于理論物理學家已給出相變存在的可能性,也由于實驗物理學家又較成功地處理了如此復雜的反應事例,還由于相對論重離子碰撞實驗已達到了理論預言的能區,更由于這項研究目標所具有的深遠的意義,這一切都使得誇克-膠子電漿的研究成為核物理學前沿的熱點課題之一。

研究歷史

在1948~1949年間,邁耶(Mayer,MariaGoeppert1906~1972)通過分析各種實驗資料,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:①原子核是這些幻數的化學元素相對豐度較大;②幻核的快中子和熱中子的截面特別小;③幻核的電四極矩特別小;④裂變產物主要是幻核附近的原子核;⑤原子的結合能在幻核附近發生突變;⑥幻核相對α衰變特別穩定;⑦β衰變所釋放的能量在幻核附近發生突變。在費密的啓發下,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(Jensen,Johannes Hans Daniel 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。由于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

1953年,丹麥物理學家、著名物理學家N.玻爾之子阿·玻爾(Bohr,Aage Niels1922~)與他的助手莫特森(Mottelson,BenRoy 1926~)及雷恩沃特(Rainwater,LeoJames1917~)共同提出了關于原子核的集體模型。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的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,處于不同運動狀態的核,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,與隻適用于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,這一特征正與大量處于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。

原子核原子核

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