[科普中國(guó)]-核溫度

概念

核溫度的確定對(duì)于核物理研究的許多問題有重要的影響，可是我們對(duì)于核溫度的測(cè)量并不是很成熟，不同的測(cè)量方法得到的溫度參量相差比較大，甚至于關(guān)乎核溫度的一些概念的確立也不是很完善。一個(gè)關(guān)鍵但是有沒有完全確認(rèn)的問題是，在原子核反應(yīng)中是否形成了平衡態(tài)，或者局部平衡，只有建立了平衡態(tài)，才會(huì)有溫度的概念。另外還有一個(gè)問題，在核反應(yīng)中我們可測(cè)的往往是反應(yīng)中發(fā)射的粒子、碎片等初級(jí)產(chǎn)物經(jīng)過一系列的級(jí)聯(lián)衰變過程后的最終產(chǎn)物，在這一過程中核溫度隨體系發(fā)射粒子和碎片或許也在變化，核反應(yīng)過程中不同的階段會(huì)有不同的溫度。即使我們所用的測(cè)溫方法很有效，得到的結(jié)果究竟是核反應(yīng)中哪一階段的核溫度，確切回答這一問題并非很簡(jiǎn)單，一般我們希望得到體系經(jīng)熱化后最后發(fā)射核子時(shí)的溫度，根據(jù)所測(cè)物理量所含的信息反推得到freeze-out階段的信息是一個(gè)很困難的工作。1

測(cè)量方法雙同位素產(chǎn)額比提取核溫度S. Albergo 等人在1985年提出了利用雙同位素產(chǎn)額比提取核溫度的原理和方法，2逐漸在中能重離子物理中得到廣泛應(yīng)用。例如Aladin小組在 GSI 利用 600MeV/u Au + Au反應(yīng)，第一次在很寬的激發(fā)能范圍內(nèi)研究了核溫度與激發(fā)能的關(guān)系，給出核物質(zhì)的量熱性質(zhì)與水的相變有驚人的相似。3通過雙同位素產(chǎn)額比提取的核溫度稱為同位素比溫度Tiso，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它可以消除化學(xué)勢(shì)的影響， 并且在入射能較高的情況下依然能得到合理的結(jié)果。隨著重離子物理研究的深入和同位旋物理這一領(lǐng)域的開辟，人們?cè)谕凰禺a(chǎn)額比及核溫度確定等方面又做了大量的研究 。

研究表明影響同位素產(chǎn)額比的因素很多，所提取核溫度有很大的不確定性。例如，由于不穩(wěn)定粒子或碎片的相繼衰變和另外一些可能被簡(jiǎn)單理論模型忽略的過程的影響，最終所測(cè)量到的同位素產(chǎn)額比已經(jīng)偏離平衡時(shí)的值，因此 Tiso也強(qiáng)烈依賴所選的粒子對(duì)，基于這一思想，Tsang M B 等人通過基于跟隨衰變理論的 Monte-Carlo 模擬， 得到各種粒子對(duì)的修正因子。4另外，在熱核衰變中發(fā)射的中等質(zhì)量碎片（ IMF），其內(nèi)部激發(fā)對(duì) Tiso 也有很大的影響，這種影響的大小可以通過對(duì)IMF內(nèi)部激發(fā)配分函數(shù)展開的一級(jí)近似加以估算。事實(shí)上，由于中能核反應(yīng)中粒子來(lái)源相當(dāng)復(fù)雜，各種同位素的產(chǎn)額不僅可以反映熱核的衰變性質(zhì)，而且還會(huì)帶有碰撞過程的動(dòng)力學(xué)信息，因此， 同位素產(chǎn)額比溫度的提取就有種種內(nèi)在的不確定因素。

通過 4 個(gè)角度的粒子測(cè)量，得到各種元素的不同同位素產(chǎn)額。單同位素產(chǎn)額比表現(xiàn)出來(lái)一定的同位旋效應(yīng)，豐中子粒子在40Ar + 124Sn 體系中的發(fā)射幾率略高于 40Ar + 112Sn 體系，而質(zhì)子在 40Ar + 112Sn 體系則更容易發(fā)射。動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)不同同位素的產(chǎn)額有較大的影響。由于化學(xué)勢(shì)在碰撞體系中逐漸趨于平衡，所提取的同位素產(chǎn)額比溫度沒有表現(xiàn)出靶核相關(guān)性。核溫度的確定對(duì)于核物理研究的許多問題有重要影響， 對(duì)核溫度的測(cè)量有幾種方法，在中能區(qū)得到的溫度參量相差較大。除了對(duì)于有關(guān)核溫度的概念方面的爭(zhēng)論以外，人們還對(duì)不同方法提取溫度的可信度提出質(zhì)疑。在核反應(yīng)中可測(cè)量的往往是反應(yīng)中初級(jí)產(chǎn)物經(jīng)過一系列級(jí)聯(lián)衰變過程后的終產(chǎn)物。另外，在中能區(qū)，彈靶碰撞體系往往在未達(dá)到熱力學(xué)平衡就開始發(fā)射粒子，即使達(dá)到熱力學(xué)平衡后，其衰變鏈也很長(zhǎng)， 鏈上不同位置的蒸發(fā)產(chǎn)物也有不同的分布特征，這些因素都會(huì)影響最終溫度的測(cè)量結(jié)果。5

高激發(fā)核物質(zhì)核溫度測(cè)量多年來(lái)，隨著重離子束流，特別是中高能重離子束流的提供，對(duì)原子核物質(zhì)的性質(zhì)，特別是其熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了很多的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。眾所周知，原子核在低激發(fā)時(shí)，其熱力學(xué)性質(zhì)，如核溫度與激發(fā)能的關(guān)系遵
循費(fèi)米氣體的規(guī)律，即 E* = aT2，其中 a 是能級(jí)密度參數(shù)，取值范圍在 1 /13～ 1 /8 MeV，T是核溫度。理論上 認(rèn)為，隨著激發(fā)能的增加，核物質(zhì)將會(huì)發(fā)生液-氣相變。

一種理論認(rèn)為，在熱激發(fā)能不是太高的時(shí)候( 3～ 4 MeV /u)，核物質(zhì)發(fā)生的相變現(xiàn)象是由于核物質(zhì)熱熔量的變化，實(shí)驗(yàn)上觀察到的是核碎成三塊或更多個(gè)較大的碎塊，以及輕粒子的發(fā)射。這時(shí)，核溫度將不隨激發(fā)能的變化而變化。核激發(fā)能進(jìn)一步增加到 8～10MeV /u 時(shí)，核物質(zhì)則全部碎為輕粒子 (氣化 )，這種現(xiàn)象與人們經(jīng)常遇到的水的汽化有類似之處。人們也就想象核物質(zhì)的相變圖與水的相變圖應(yīng)該是類似的（右圖）。6