[科普中國(guó)]-核物質(zhì)

簡(jiǎn)介

無(wú)限大的核物質(zhì)是各向同性的，并具有平移不變性，它避開(kāi)了表面效應(yīng)，因此大大簡(jiǎn)化了理論計(jì)算。在核物質(zhì)體系中應(yīng)用理論上提出的核子相互作用是檢驗(yàn)核力的重要手段。在核物質(zhì)近似下，用一種合適的核子相互作用進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)該能正確地給出與實(shí)驗(yàn)測(cè)出的重核內(nèi)中心區(qū)域密度相同的核物質(zhì)密度，以及原子核結(jié)合能半經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量公式（見(jiàn)液滴模型）中的體積能項(xiàng)。這個(gè)常數(shù)密度約為0.17核子每立方費(fèi)密（1費(fèi)密=10-15米）,而體積能約為16兆電子伏每核子2。

費(fèi)密氣體模型是核物質(zhì)的零級(jí)近似3。很多證據(jù)證實(shí)，在原子核中，核子的平均自由程大于核子間的距離，這意味著核物質(zhì)內(nèi)核子在零級(jí)近似下是在一平滑變化的勢(shì)場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。這樣就可以寫(xiě)出由反對(duì)稱化的單粒子波函數(shù)乘積表示的總波函數(shù)，其中單粒子波函數(shù)是平面波波函數(shù)與自旋、同位旋波函數(shù)的乘積。這就是費(fèi)密氣體模型。應(yīng)用周期性邊界條件對(duì)平面波進(jìn)行歸一化，可以算出單粒子態(tài)密度及其相應(yīng)的費(fèi)密動(dòng)量以及同平均密度ρ0相對(duì)應(yīng)的費(fèi)密動(dòng)量媡kF。ρ0=0.17核子每立方費(fèi)密,kF近似為1.36費(fèi)密-1。在溫度為0開(kāi)時(shí)，粒子逐次填充在所有可能的最低單粒子態(tài)上。處于基態(tài)的原子核可以被認(rèn)為是處在0開(kāi)的費(fèi)密氣體。 把費(fèi)密氣體模型加以擴(kuò)充，使之包含核子相互作用所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，是核物質(zhì)理論的主要課題。20世紀(jì)30年代所進(jìn)行的最早期的研究，曾使用不具有奇異性的相互作用，試圖由選擇適當(dāng)?shù)慕粨Q混合來(lái)給出核力的飽和性。依據(jù)相互作用的冪次，進(jìn)行了通常的微擾論計(jì)算。發(fā)現(xiàn)在這種非奇異相互作用下微擾級(jí)數(shù)收斂緩慢。而且對(duì)核子間相互散射的進(jìn)一步研究表明，核子相互作用中存在相當(dāng)強(qiáng)的排斥芯，不能應(yīng)用通常的微擾論來(lái)處理。

布呂克納-戈德斯通展開(kāi)50年代以來(lái),核物質(zhì)研究的中心問(wèn)題是發(fā)展適當(dāng)?shù)奈_方法1，以適應(yīng)于相互作用中包含有奇異因素(即排斥芯)的體系。廣泛應(yīng)用的是布呂克納-戈德斯通展開(kāi),也就是一般多粒子體系理論中應(yīng)用的相連集團(tuán)展開(kāi)(linked-cluster expansion)方法。為了避免對(duì)相互作用部分V的矩陣元展開(kāi)所導(dǎo)致的發(fā)散，在這種展開(kāi)中用反應(yīng)矩陣G（又稱G矩陣）的矩陣元代替了V的矩陣元。反應(yīng)矩陣G借助投影算符Q、能量因子e同相互作用V相聯(lián)系，它滿足算符關(guān)系式G=V-VQe-1G。

這實(shí)際上是核物質(zhì)中兩粒子間的近似等效相互作用。對(duì)排斥芯這樣的奇異相互作用,G的矩陣元卻是有限的。對(duì)不同的位勢(shì)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的、一級(jí)布呂克納- 戈德斯通展開(kāi)的計(jì)算，所給出的各種位勢(shì)所對(duì)應(yīng)的飽和點(diǎn)（同kF相對(duì)應(yīng)的結(jié)合能值）落在很窄的一條帶中，即所謂的克斯特爾 (Coester)帶。這些結(jié)果同半經(jīng)驗(yàn)公式給出的值相近，但并不相符合。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，以G代替V，并按G作展開(kāi)，其結(jié)果將不收斂。

計(jì)算方法的發(fā)展針對(duì)布呂克納 -戈德斯通展開(kāi)中不收斂的困難，引入了空穴線展開(kāi)方法，在這種方法中，包括n條空穴線的相連圖形相應(yīng)于n體關(guān)聯(lián)。但這種方法計(jì)及三體關(guān)聯(lián)，它仍得不到飽和點(diǎn)密度?？梢?jiàn)收斂仍不夠快，而計(jì)算高級(jí)圖仍相當(dāng)困難4。

另一種發(fā)展的計(jì)算方法是相干波函數(shù)變分法，也稱為費(fèi)密子超綱鏈方法 （FHNC）。 它應(yīng)用賈斯特羅(Jastraw)型波函數(shù)來(lái)進(jìn)行變分計(jì)算。計(jì)算表明,這種方法對(duì)中心力取得的結(jié)果比前述方法好，但對(duì)張量力仍有困難。一般認(rèn)為這種方法用于研究高密度核物質(zhì)具有較大優(yōu)點(diǎn)，但方法本身還需進(jìn)一步發(fā)展。改進(jìn)核物質(zhì)計(jì)算的另一個(gè)方面是進(jìn)一步考慮多體力效應(yīng)及考慮介子和Δ共振態(tài)自由度的存在。

核物質(zhì)研究的新發(fā)展由于天體物理及相對(duì)論性重離子碰撞研究的發(fā)展5，處在高溫、高密度等極端條件下核物質(zhì)的性質(zhì)，越來(lái)越引起人們的注意。根據(jù)強(qiáng)子由夸克組成的假設(shè)（見(jiàn)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)），預(yù)計(jì)在極端條件下將存在夸克物質(zhì)（由夸克、反夸克和膠子組成的等離子體）。一般認(rèn)為，它曾經(jīng)在宇宙大爆炸過(guò)程中出現(xiàn)，也可能存在于中子星的內(nèi)部。初步的計(jì)算還預(yù)言，當(dāng)重離子核反應(yīng)能量再繼續(xù)提高后，有可能觀察到通常核物質(zhì)到夸克物質(zhì)的相變。由于強(qiáng)相互作用理論本身存在許多不確定因素，這些研究還是相當(dāng)初步的1。

核物質(zhì)新形態(tài)的探索迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)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(zhì)子滴落線及自裂變半衰期大于1μs的限制邊界內(nèi)所包圍的核素應(yīng)有8000余種，這表明有一大半核尚未被人們認(rèn)識(shí)。根據(jù)目前的情況，考慮到可能的生成與鑒別方法，估計(jì)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(guān)實(shí)驗(yàn)室不惜耗費(fèi)重金搜索的目標(biāo)。

然而，隨著遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線，未知新核素的生成截面也越來(lái)越小，壽命越來(lái)越短，使分離、生成和鑒別的難度越來(lái)越大。遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核研究在核物理學(xué)中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)，例如它們的中子、質(zhì)子數(shù)之比異常，有的核結(jié)合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發(fā)射、β延遲衰變、表面結(jié)團(tuán)結(jié)構(gòu)、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對(duì)這些獨(dú)特現(xiàn)象的研究，有助于檢驗(yàn)和發(fā)展現(xiàn)有的原子核理論。此外，現(xiàn)有的核結(jié)構(gòu)模型，大部分是在β穩(wěn)定線附近幾百種核研究基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，如液滴模型、獨(dú)立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠(yuǎn)β穩(wěn)定線的原子核研究中得到檢驗(yàn)、深化與發(fā)展。隨著新核素的生成與鑒別，以及隨著對(duì)它們的衰變性質(zhì)及核結(jié)構(gòu)的研究，會(huì)不斷地有新的現(xiàn)象被揭示，人們對(duì)核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)也將不斷地深化。此外通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術(shù)的應(yīng)用提供新的能源。總之，核物質(zhì)新形態(tài)的研究是一個(gè)十分廣闊而又值得探索的新領(lǐng)域，這一領(lǐng)域中的任何新的進(jìn)展都將能推動(dòng)與它有關(guān)的原子物理、天體物理、核化學(xué)以及放射化學(xué)的進(jìn)展。

在核物質(zhì)新形態(tài)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夸克-膠子等離子體的研究1。

重離子核物理這是近30年來(lái)，在核物理學(xué)研究中一個(gè)十分活躍又是極具有生命力的前沿領(lǐng)域。在本世紀(jì)50年代以前，人們?cè)谘芯吭雍说慕Y(jié)構(gòu)與變化時(shí)，只是利用質(zhì)量小的輕離子，如氦核、氘核、質(zhì)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(kāi)始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核，主要進(jìn)行的是彈性散射與少數(shù)核子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。從60到80年代，重離子核反應(yīng)開(kāi)始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來(lái)，大約以每年發(fā)現(xiàn)30～40種新核素的速度發(fā)展著。1982年5月11日，美國(guó)勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)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，并將其加速到每個(gè)核子147.7MeV的能量，整個(gè)鈾238離子的總能量達(dá)到35GeV。在這個(gè)能量上，離子速度達(dá)到了光速的二分之一。LBL的這一創(chuàng)舉，不僅開(kāi)創(chuàng)了相對(duì)論重離子物理學(xué)，而且使核物理的研究跨入一個(gè)以前無(wú)法觸及的新領(lǐng)域，在這個(gè)新領(lǐng)域中，一些激動(dòng)人心的奇特現(xiàn)象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一臺(tái)稱為貝瓦萊克(Bevalac)的加速裝置獲得的。這臺(tái)加速裝置由兩部分組成。

一部分是高能質(zhì)子同步加速器，它只能把質(zhì)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(jí)加速器使用；另一部分是重離子加速器。通常，重原子的內(nèi)層電子由于強(qiáng)庫(kù)侖作用，被緊緊地束縛在原子核外的內(nèi)層，Bevalac先使鈾原子部分電離，形成帶少量正電荷的鈾離子。然后，令其加速，當(dāng)鈾離子的速度超過(guò)核外電子的軌道速度時(shí)，使鈾離子穿過(guò)某種金屬膜，就會(huì)有相當(dāng)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(xù)加速，再使其通過(guò)聚酯樹(shù)脂薄膜，得到U80+和U81+的離子混合物，最后再經(jīng)過(guò)一層厚的鉭膜，全部電子均被“剝”凈，從而得到了絕大多數(shù)的裸鈾核。

包括LBL，目前世界上共有4臺(tái)高能加速器作為重離子核反應(yīng)的研究基地。到1982年為止，LBL已經(jīng)能加速直到鈾元素的全部重離子；美國(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室擬在1996年建成的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)，投資4億美元。它建在原本為建造質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)所開(kāi)掘的隧道里，隧道周長(zhǎng)3.8km。它包括兩個(gè)巨大的超導(dǎo)磁環(huán)，最大磁場(chǎng)3.8T，可以使質(zhì)量數(shù)小于或等于200的離子能量達(dá)到100GeV/N。它的一個(gè)重要目的就是研究在高溫、高密條件下，實(shí)現(xiàn)普通核到夸克-膠子等離子體的相變。在今后的20年內(nèi)，相對(duì)論重離子物理可望獲得重要進(jìn)展6。

夸克-膠子等離子體(QGP)相對(duì)論重離子物理學(xué)是近年來(lái)發(fā)展較快的核物理前沿領(lǐng)域，也是今后若干年內(nèi)核物理的重要研究方向之一7。它主要是研究在極高溫度（達(dá)到1012K，即太陽(yáng)中心溫度的 60000倍）以及極高密度（10倍于正常核物質(zhì)密度）下，核由強(qiáng)子態(tài)向夸克物質(zhì)態(tài)，即夸克-膠子等離子體的相變。這項(xiàng)研究具有極其重要的意義。首先，夸克-膠子等離子體是人們長(zhǎng)期以來(lái)渴望求到卻又難以得到的一種物質(zhì)形態(tài)?？淇?膠子等離子體與一般的電的等離子體不同，在夸克-膠子等離子體中，夸克在強(qiáng)子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說(shuō)，上一世紀(jì)給本世紀(jì)留下了兩個(gè)謎，一個(gè)是無(wú)絕對(duì)的慣性系，一個(gè)是波-粒二象性，這兩個(gè)謎已隨著愛(ài)因斯坦的相對(duì)論及量子力學(xué)的建成得以解決，那么，本世紀(jì)粒子物理學(xué)的發(fā)展又使另外兩個(gè)更深層次的謎，一是對(duì)稱性破缺，一是夸克禁閉呈現(xiàn)了出來(lái)。當(dāng)前，描述自然界四種基本作用的理論是，描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)(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(duì)論，這些理論的最終統(tǒng)一將使這兩個(gè)謎獲得最終解決，而相對(duì)論重離子物理研究又直接與這兩個(gè)謎相關(guān)，正因如此，有人稱這項(xiàng)研究具有“世紀(jì)性的地位”。根據(jù)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(zhì)處于正常核態(tài)；但當(dāng)密度達(dá)到2ρN時(shí)，可能出現(xiàn)π凝聚，這是核物質(zhì)具有較高秩序的狀態(tài)，類似晶體點(diǎn)陣排列的原子；當(dāng)密度達(dá)到5ρN左右，單個(gè)核子產(chǎn)生許多新的激發(fā)能級(jí)，核變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的強(qiáng)子物質(zhì)；若再進(jìn)一步壓縮核物質(zhì)，使密度達(dá)到10ρN左右，核由強(qiáng)子激發(fā)態(tài)繼續(xù)發(fā)生相變，此時(shí)出現(xiàn)解除夸克禁閉，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，夸克與夸克間相互作用粒子組成夸克-膠子等離子體(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(rèn)為，高能重離子反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)這一相變的最有希望的途徑。有人估計(jì)，要實(shí)現(xiàn)普通核的非禁閉相變，核碰撞質(zhì)心能量要達(dá)到100GeV/N。預(yù)計(jì)在1996年建成的美國(guó)布魯克海汶國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)將能滿足這一要求。