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世界所有物質都是由分子構成,或直接由原子構成,而原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構成,原子核是由帶正電荷的質子和不帶電荷的中子構成,原子中,質子數=電子數,因此正負抵消,原子就不顯電,原子是個空心球體,原子中大部分的質量都集中在原子核上,電子幾乎不佔質量,通常忽略不計。

1基本信息

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。
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衰變和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,較有影響的有玻爾的液滴模型、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:①原子核是這些幻數的化學元素相對丰度較大;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(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。
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(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,併產生集體運動,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。
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,有人就預言了核內存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△、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內存在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內存在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。近年來,有兩個有名的實驗給出了核內存在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△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。
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,核內核子的性質,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,禁閉在核內核子中的夸克密度分佈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,因為至今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、動量和散射角分佈的測量,探知核內夸克的動量分佈,即核子的結構函數。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內核子靶上,測量這種結構常數不會顯示什麼差異。然而實驗的結果,卻大大出乎后一些人的預料。
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子和中微子,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①。實驗得到了鐵原子核結構函數與氘核結構函數的比值,發現這一比值是夸克動量與核子平均動量比值x的函數,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佈。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數的研究組。他們以液氫與液氘為靶,得到了核中質子和中子的結構函數。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數,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,結構函數比值小於1,有明顯的遮蔽現象;而在0.1≤x≤0.2時,結構函數比值大於或等於1,有較弱的反遮蔽現象,而且遮蔽現象隨不同的核而不同①。伯格(E.L.Berger)等人對這一現象做出了解釋②。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,核內的夸克分佈也與自由核子不同,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。核內核物質密度越大,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)①及克洛斯(F.E. Close)②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①,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佈變化。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②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。

2形態探索

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」凈,從而得到了絕大多數的裸鈾核。
應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。近年來的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」等離子體。在這類等離子體中,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,目前世界上共有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-膠子等離子體的相變。在今後的20年內,相對論重離子物理可望獲得重要進展。
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,由於德拜屏蔽效應的存在,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+/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后,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,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-膠子等離子體的研究成為核物理學前沿的熱點課題之一。

奇異核

近年來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∧超核、Ζ超核以及反質子核等。目前只有∧超核為實驗所肯定,已開展了一些∧超核譜學及生成∧超核機制的研究。∧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∧超子完全相同,因而認定這個碎片就是包含∧超子的∧超核。∧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∧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。∧超核與∧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∧超核。到目前為止,已經在實驗中觀察到幾十種∧超核以及包含兩個∧超子的雙超核,甚至包含若干個∧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衰變后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,故常把這种放射性稱為β延遲粒子發射,或緩發粒子發射。其實,早在 1916年盧瑟福(Rutherford,Ernest 1871~1937)和伍德(Wood,RobertWilliams1868~1955)在研究212Bi引起的熒光現象時,就曾發現在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(Gamow,George1904~1968)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粒子后變為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鑒別出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延遲衰變后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在線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11.4天,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,從而反映了核內核子的組合方式。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佈與形狀間的關係。
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佈情況變化。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。目前,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。

3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,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 ,和伽馬輻射。1911年由為莉澤·邁特納和奧托·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。
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