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原子核
原子的核心部分
原子核（atomic nucleus）簡(jiǎn)稱(chēng)“核”。位于原子的核心部分，由質(zhì)子和中子兩種微粒構成。而質(zhì)子又是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子又是由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成。
簡(jiǎn)介
原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分，占了99.96%以上原子的質(zhì)量，與周?chē)鷩@的電子組成原子。原子核由質(zhì)子和中子構成。而質(zhì)子又是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子是則由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成。原子核極小，它的直徑在10m~10m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，如果將原子比作地球，那么原子核相當于棒球場(chǎng)大小，而核內的夸克及電子只相當于棒球大小。原子核的密度極大，約為10kg/m3，原子核內有核殼層結構，稱(chēng)為幻核。
構成原子核的質(zhì)子和中子之間存在介子，以傳遞原子核內巨大的吸引力-強力，強力比電磁力強137倍，故能克服質(zhì)子之間所帶正電荷的電磁斥力而結合成原子核。原子核的能量極大，當原子核發(fā)生裂變(重原子核分裂為兩個(gè)或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時(shí)結合成為重核)時(shí)，會(huì )釋放出巨大的原子核能，即原子能(例如核能發(fā)電)。質(zhì)子和中子及介子由價(jià)夸克(組分夸克)及誨夸克(流夸克)組成，夸克亦有層層(殼)結構，外層為橫向連接的價(jià)夸克，內層為縱向疊加的誨夸克，而外層為3個(gè)橫向連接的束縛態(tài)價(jià)夸克。價(jià)夸克按比例(2個(gè)上型夸克帯+2/3電荷,1個(gè)下型夸克帯-1/3電荷)分掉質(zhì)子(或3夸克超子)內的整數電荷，故夸克帶分數電荷。縱向疊加的誨夸克正負電荷相抵=零，原子內帶正電荷的質(zhì)子與帶負電荷的電子數量相同，故整個(gè)原子呈電中性。
本質(zhì)
相互作用
電荷
盧瑟福實(shí)驗
盧瑟福從1909年起做了著(zhù)名的α粒子散射實(shí)驗，實(shí)驗的目的是想證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)驗結果卻成了否定湯姆遜原子模型的有力證據。在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型。
為了要考察原子內部的結構，必須尋找一種能射到原子內部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質(zhì)中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來(lái)進(jìn)行實(shí)驗，如圖是這個(gè)實(shí)驗裝置的示意圖。
在一個(gè)鉛盒里放有少量的放射性元素釙（Po），它發(fā)出的α射線(xiàn)從鉛盒的小孔射出，形成一束很細的射線(xiàn)射到金箔上。當α粒子穿過(guò)金箔后，射到熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)個(gè)的閃光點(diǎn)，這些閃光點(diǎn)可用顯微鏡來(lái)觀(guān)察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗結果，整個(gè)裝置放在一個(gè)抽成真空的容器內，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上移動(dòng)。
實(shí)驗結論
原子是電中性的，核帶有的正電荷等于核外電子的總負電荷。對原子序數為Z的原子，核帶正電+Ze。核的電荷數是一個(gè)嚴格的整數，它等于核內的質(zhì)子數。質(zhì)子帶正電+e，與電子的電量相等。
理論進(jìn)展
研究歷程
核物理研究一開(kāi)始，就面臨著(zhù)一個(gè)重要的問(wèn)題，這就是核子間相互作用的性質(zhì)。人們注意到，大多數原子核是穩定的，而通過(guò)對不穩定原子核的γ衰變、β衰變和α衰變的研究發(fā)現，原子核的核子之間必然存在著(zhù)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(shí)驗還證明，質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)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(wú)關(guān)性。1935年，湯川秀樹(shù)（YukawaHideki 1907～1981）提出，核子間相互作用是通過(guò)交換一種沒(méi)有質(zhì)量的介子實(shí)現的。1947年，π介子被發(fā)現，其性質(zhì)恰好符合湯川的理論預言。
介子交換理論認為，單個(gè)π介子交換產(chǎn)生核子間的長(cháng)程吸引作用（≥3×10cm），雙π介子交換產(chǎn)生飽和中程吸引作用[（1～3）×10cm]，而ρ、ω分子交換產(chǎn)生短程排斥作用（<1×10cm），π介子的自旋為零，稱(chēng)為標量介子，ρ、ω介子的自旋為1，稱(chēng)為矢量介子，它們的靜止質(zhì)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(guān)性。核力性質(zhì)及核組成成分的研究，為進(jìn)一步揭示原子核的結構創(chuàng )造了條件。
在1948～1949年間，邁耶（Mayer，MariaGoeppert1906～1972）通過(guò)分析各種實(shí)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：
?幻核的電四極矩特別小；
?裂變產(chǎn)物主要是幻核附近的原子核；
?原子的結合能在幻核附近發(fā)生突變；
?幻核相對α衰變特別穩定；
?β衰變所釋放的能量在幻核附近發(fā)生突變。
原子核
核殼層模型是在大量的關(guān)于核性質(zhì)、核譜以及核反應實(shí)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(dòng)給出了較清晰的物理圖象。這一模型的核心是平均場(chǎng)思想。它認為，就像電子在原子中的平均場(chǎng)中運動(dòng)一樣，在原子核內，每個(gè)核子也近似地在其它核子的平均場(chǎng)中做獨立的運動(dòng)，因此原子核也應具有殼層結構，通常把這一模型稱(chēng)為獨立粒子核殼層模型。
平均場(chǎng)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(chǎng)作用代替。除了平均場(chǎng)以外，核子之間還有剩余相互作用。隨著(zhù)核物理研究的發(fā)展，在50年代以后，陸續發(fā)現一些新的實(shí)驗事實(shí)，如大的電四極矩、磁矩、電磁躍遷幾率、核激發(fā)能譜的振動(dòng)譜、轉動(dòng)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(xué)家、著(zhù)名物理學(xué)家N.玻爾之子阿·玻爾（Aage Niels Bohr，1922～）與他的助手莫特森（Ben RoyMottelson，1926～）及雷恩沃特（Leo JamesRainwater，1917～）共同提出了關(guān)于原子核的集體模型。這一模型認為，除平均場(chǎng)外，核子間還有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之間關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)是對獨立粒子運動(dòng)的一種補充，其中短程關(guān)聯(lián)引起核子配對。描述這種關(guān)聯(lián)的核子對模型已經(jīng)得到大量的實(shí)驗支持。核子間的長(cháng)程關(guān)聯(lián)將使核變形，并產(chǎn)生集體運動(dòng)，原子核轉動(dòng)和振動(dòng)能譜就是這種集體運動(dòng)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(dòng)的結果。原子核的集體模型認為，每個(gè)核子在核內除了相對其它核子運動(dòng)外，原子核的整體還發(fā)生振動(dòng)與轉動(dòng)，處于不同運動(dòng)狀態(tài)的核，不僅有自己特定的形狀，還具有不同的能量和角動(dòng)量，這些能量與角動(dòng)量都是分立的，因而形成能級。正因如此，與只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(fā)展。用它可以計算核液滴的各種形狀對應的能量和角動(dòng)量。此外，當核由高能級向低能級躍遷時(shí)，能量通常還能以γ射線(xiàn)的形式釋放出來(lái)，這一特征正與大量處于穩定線(xiàn)附近的核行為相符。此外，根據這一模型，當核形狀固定時(shí)，轉動(dòng)慣量不變，隨著(zhù)角動(dòng)量加大，核形狀變化，轉動(dòng)慣量相應改變，導致轉動(dòng)能級變化，因此，這一模型對變形核轉動(dòng)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(dòng)、變形核的轉動(dòng)和大四極矩等實(shí)驗事實(shí)，為原子核理論的發(fā)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(xué)獎。
IBM理論
發(fā)展核模型的目的，在于更準確地描述原子核的各種運動(dòng)形態(tài)，以期建立一個(gè)更為完整的核結構理論。由于人們對于核子間的相互作用性質(zhì)、規律及機制并不完全清楚，不可能像經(jīng)典物理那樣，通過(guò)核子間的相互作用先建立一個(gè)核結構與核動(dòng)力學(xué)理論，只能依靠所建立的模型，對有實(shí)驗數據的核素或能區進(jìn)行理論計算，再與實(shí)驗的結果相比較，根據比較結果，調整模型，再通過(guò)模型理論，估算沒(méi)有實(shí)驗數據的空缺能區，發(fā)展實(shí)驗技術(shù)，補充空缺數據，再與理論估算相比較，如此循環(huán)往復，推動(dòng)核結構理論的進(jìn)展，這是一個(gè)艱苦而又漫長(cháng)的探索過(guò)程。截止到70年代初，核結構理論的進(jìn)展大多在傳統的范圍內發(fā)展著(zhù)。
傳統核結構理論的特點(diǎn)是：
①沒(méi)有考慮核子的自身結構；
②處理核力多為二體作用，把核內核子間的作用，等同于自由核子間的相互作用；
③認為核物質(zhì)是無(wú)限的；
⑤研究對象是通常條件（基態(tài)或低激發(fā)態(tài)、低溫、低壓、常密度等）下的自然核素。
從70年代中到90年代，核物理的研究跳出了傳統范圍，有了巨大的進(jìn)展。首先是實(shí)驗手段的發(fā)展，各種中、高能加速器、重離子加速器相繼投入運行；與此相應，探測技術(shù)的發(fā)展不僅擴大了可觀(guān)測核現象的范圍，也提高了觀(guān)測的精度與分析能力；核數據處理技術(shù)由手工向計算機化的轉變，更加速了核理論研究的進(jìn)程。受到粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)發(fā)展的影響，核物理理論也開(kāi)始從傳統的非相對論量子核動(dòng)力學(xué)（QND）向著(zhù)相對論量子強子動(dòng)力學(xué)（QHD）和量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）轉變。一個(gè)以相對論量子場(chǎng)論、弱電統一理論與量子色動(dòng)力學(xué)為基礎的現代核結構理論正在興起。雖然由于粒子物理已成為一門(mén)獨立學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結構的最前沿，但是核物理的研究卻更進(jìn)入了一個(gè)向縱深發(fā)展的嶄新階段。
原子核的集體模型除了平均場(chǎng)外，還計入了剩余相互作用，因而加大了它的預言能力。然而，核多體問(wèn)題在數學(xué)處理上的難度很大，這給實(shí)際研究造成很大的困難。近十幾年來(lái)，有人提出了各種更為簡(jiǎn)化的核結構模型，其中主要的有液點(diǎn)模型，它的特點(diǎn)是反映了原子核的整體行為和集體運動(dòng)，能較好地說(shuō)明原子核的整體性，如結合能公式、裂變、集體振動(dòng)和轉動(dòng)等。除了液點(diǎn)模型外，還有互作用的玻色子模型（IBM），這一模型也是企圖用簡(jiǎn)化方法研究核結構。由于人們除了對核子間的核力作用認識不清以外，又由于原子核是由多個(gè)核子統成的多體系統，考慮到每個(gè)核子的3維坐標自由度、自旋與同位族自由度，運動(dòng)方程已無(wú)法求解，加上多體間相互作用就更難上加難。過(guò)去的獨立核殼層模型強調了獨立粒子的運動(dòng)特性，而原子核集體模型又強調了核的整體運動(dòng)，這兩方面的理論沒(méi)能做到很好的結合。盡管核子的多體行為復雜，無(wú)法從理論計算入手，實(shí)驗觀(guān)察卻發(fā)現，原子核這樣一個(gè)復雜的多費密子系統，卻表現出清晰的規律性與簡(jiǎn)單性。這一點(diǎn)啟發(fā)人們，能否先“凍結”一些自由度，研究核的運動(dòng)與動(dòng)力學(xué)規律，從簡(jiǎn)單性入手研究核，這就是互作用玻色子模型的出發(fā)點(diǎn)。
1968年，費什巴赫（Feshbach）與他的學(xué)生拉什羅（F. lachllo）在研究雙滿(mǎn)殼輕核時(shí)，把粒子-空穴看成為一個(gè)玻色子，提出了相互作用玻色子概念。1974年，拉什羅把這一概念用于研究中、重偶偶核，他與阿里默（A. Arima）合作，提出了互作用玻色子模型。這一模型認為，偶偶核包括雙滿(mǎn)殼的核實(shí)部分與雙滿(mǎn)殼外的偶數個(gè)價(jià)核子部分。若先把核實(shí)的自由度“凍結”，把價(jià)核子配成角動(dòng)量為0或2的核子對，即可把費密子對處理為玻色子，用玻色子間的相互作用描述偶偶核，可以使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發(fā)態(tài)上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更為成功之處是，它預言了原子核在超空間中的對稱(chēng)性。它指出核轉動(dòng)、核振動(dòng)等集體運動(dòng)行為是核動(dòng)力學(xué)對稱(chēng)性的反映。由于對核動(dòng)力學(xué)對稱(chēng)性的揭示，這一模型雖然比較抽象，卻更為深刻也更為本質(zhì)。在過(guò)去，提到對稱(chēng)性，往往被認為是粒子物理學(xué)的研究課題。其實(shí)，核物理也是對稱(chēng)性極為豐富的研究領(lǐng)域。最早注意到核對稱(chēng)性的是匈牙利裔美國物理學(xué)家、狄喇克的妻兄維格納（Eugene Paul Wigner，1902～）。維格納畢業(yè)于柏林大學(xué)化學(xué)系，1925年獲得博士學(xué)位，1930年與諾伊曼（JohnvonNeumann，1903～1957）一起被邀請到美國，擔任普林斯頓大學(xué)數學(xué)物理教授。1936年，兩人共同創(chuàng )立中子吸收理論，為核能事業(yè)做出重大貢獻。1937年，維格納基于核的自旋、同位旋，引入超多重結構，建立了宇稱(chēng)守恒定律。由于對原子核基本粒子理論的貢獻，特別是對對稱(chēng)性基本原理的貢獻，維格納獲得了1963年諾貝爾物理學(xué)獎。繼維格納，對原子核動(dòng)力學(xué)對稱(chēng)性進(jìn)行更深入研究的是埃里奧特。1958年，埃里奧特研究了諧振子場(chǎng)的對稱(chēng)性，建立了玻色子相互作用的SU（3）動(dòng)力學(xué)對稱(chēng)性理論，這一理論與質(zhì)量數A在16～24的核理論有很好的符合，但對于A(yíng)較大的核，由于自旋-軌道耦合，使這種對稱(chēng)性遭到破壞，而偏離很大。在1974年拉什羅和阿里默提出的互作用玻色子模型中，將角動(dòng)量為0的玻色子稱(chēng)為s玻色子，角動(dòng)量為2的玻色子稱(chēng)為d玻色子，s、d玻色子展開(kāi)一個(gè)6維超空間，系統狀態(tài)的任何一種變化，都可以通過(guò)6維空間的么正變換實(shí)現，這種么正變換構成U（6）群。原子核的角動(dòng)量守恒即與空間轉動(dòng)不變性相聯(lián)系，即s、d系統具有U（6）的對稱(chēng)性。他們還發(fā)現，s、d玻色子系統存在三個(gè)群鏈，
①U（6）U（5）SO（5）SU（3），簡(jiǎn)稱(chēng)U（5）極限。
②U（6）SU（3）SO（3），簡(jiǎn)稱(chēng)SU（3）極限。
③U（6）SO（6）SO（5）SO（3），簡(jiǎn)稱(chēng)SO（6）極限。
在三個(gè)群鏈情況下，與s、d玻色子相互作用相關(guān)的哈密頓量均有解析解，原子核具有相應群的對稱(chēng)性。在三種極限情況，能量本征值對角動(dòng)量都有確定的依賴(lài)關(guān)系，動(dòng)力學(xué)對稱(chēng)性也依能級次序的表現而不相同。總之，這一研究成果揭示了原子核結構與動(dòng)力學(xué)的對稱(chēng)性，并與實(shí)驗結果取得了很大程度上的一致，IBM理論取得了很大的成功。
自由度
π介子自由度
在建立互作用玻色子模型的同時(shí)，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(jìn)展。以核集體模型為代表的廣義核殼層模型盡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(shí)驗事實(shí)或觀(guān)測現象出發(fā)，從某個(gè)側面用類(lèi)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(shuō)明這個(gè)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(lián)系，它們不是一個(gè)包容另一個(gè)，而是彼此獨立，相互間關(guān)聯(lián)甚少。追究起來(lái)，存在這些問(wèn)題的原因是對核多體系統的認識有關(guān)。按傳統認識，核內的核子只是一個(gè)無(wú)結構的點(diǎn)，核僅由這些被當作為點(diǎn)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?yōu)閮牲c(diǎn)間的作用。事實(shí)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(fā)現了原子核內除了質(zhì)子外，還有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的。然而是什么力把它們緊緊地約束在核中呢？1935年，湯川秀樹(shù)發(fā)表了核力的介子場(chǎng)理論，他認為π介子是核力的媒介，并參與β衰變，同時(shí)提出了核力場(chǎng)方程及核力的勢。根據這一理論，質(zhì)子和中子通過(guò)交換π介子互相轉化。1947年，π介子在宇宙射線(xiàn)中被發(fā)現。由于在核力理論中預言π介子的存在，湯川秀樹(shù)獲得了1949年諾貝爾物理學(xué)獎。
隨著(zhù)粒子物理學(xué)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現，在原子核內，除了傳統的質(zhì)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(tài)Δ、σ粒子自由度、核內夸克自由度和核內色激發(fā)自由度等，情況遠比人們對核的傳統認識復雜。對這些自由度的研究極大地豐富了原子核物理學(xué)的基本內容。
多年來(lái)，人們一直在尋求著(zhù)核內存在π介子的直接或間接的實(shí)驗證明。一個(gè)主要的困難是得知核內存在π介子，需要波長(cháng)極短的入射粒子束。為避免強相互作用帶來(lái)更多的不確定性，人們選用了入射光子的方法。有兩個(gè)有名的實(shí)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(shí)驗，人們用兩種方法計算了氘核光分裂γ+D→n+p過(guò)程的反應截面。結果發(fā)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(shí)驗符合，偏差只有10%左右；然而當Er>50MeV時(shí)，純核子自由度的計算與實(shí)驗結果的偏離明顯地加大，只有考慮了π介子自由度以后，才與實(shí)驗結果一致。這一實(shí)驗不僅證明了核內π介子的存在，而且還說(shuō)明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表現出來(lái)。另一個(gè)證明π介子自由度的是利用電子散射對He形狀因子的研究實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，在電子與核的動(dòng)量轉移過(guò)程中，越接近核中心區域，動(dòng)量交換值越大，核中心區域是高動(dòng)量轉移區，核的邊緣為低動(dòng)量轉移區，而只有在低動(dòng)量轉移區，純核子自由度理論才與實(shí)驗結果符合，在高動(dòng)量轉移的中心區，必須計入π介子及Δ自由度的影響，才能與實(shí)驗符合。這個(gè)實(shí)驗不僅證明了核內π介子自由度的存在，而且進(jìn)一步指出，在原子核的中心區域，非核子自由度問(wèn)題的重要性更為突出。
夸克自由度
從40年代末到50年代初，隨著(zhù)世界上各大型加速器的投入運行，粒子物理逐漸從核物理中分化了出來(lái)。上世紀60年代以后，粒子物理取得了一系列令人矚目的進(jìn)展。例如，在70年代初，格拉肖、薩拉姆和溫伯格將弱、電相互作用統一在SU（2）×U（1）對稱(chēng)群的規范理論之中，并從多方面得到了實(shí)驗上的直接和間接的證實(shí)。粒子物理的另一個(gè)著(zhù)名成就是夸克模型和量子色動(dòng)力學(xué)的建立。根據微觀(guān)世界中的對稱(chēng)性，不僅可以對強子進(jìn)行分類(lèi)，而且還對強子內部結構的認識提供了有效的途徑。低能強子按SU（3）對稱(chēng)群分類(lèi)，這些強子的基本構件，也是SU（3）對稱(chēng)群的基礎就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克。為使強子滿(mǎn)足自然界普遍遵守的自旋與統計性關(guān)系，每種夸克還有3種不同的色，色相互作用是強相互作用的起源，而傳遞色相互作用的8個(gè)媒介子就稱(chēng)為膠子。實(shí)質(zhì)上，強相互作用理論即為SU（3）色對稱(chēng)群的規范理論，稱(chēng)為量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）。根據夸克模型，原子核的核子應由3個(gè)價(jià)夸克以及稱(chēng)為海夸克的虛夸克-反夸克對膠子組成，而傳遞核子相互作用的介子應由價(jià)夸克、價(jià)反夸克和海夸克、膠子組成。這種物質(zhì)結構的新觀(guān)點(diǎn)啟發(fā)人們思索，核內的核子處于核的“環(huán)境”之中，它們到底與自由核子有什么區別？核“環(huán)境”對核子有什么影響？核內的夸克和膠子的分布如何？它們都參與什么作用？……這一系列問(wèn)題都將與核內夸克自由度等的非核子自由度有關(guān)，這些問(wèn)題已成為當今核物理發(fā)展的關(guān)鍵。
還不能?chē)栏竦赜昧孔由珓?dòng)力學(xué)描述原子核這樣的多夸克系統，考慮到可能存在夸克自由度，有人提出了一個(gè)更為大膽的簡(jiǎn)化核模型。這一模型從夸克和它們之間的相互作用力出發(fā)，采用類(lèi)似傳統的獨立粒子殼層模型的方法來(lái)解釋原子核的各種性質(zhì)。在考慮夸克間相互作用時(shí)，這一模型假定存在有“對力”，而不考慮夸克的禁閉性質(zhì)。根據這一模型，夸克的色自由度使每個(gè)殼層上容許的夸克數恰好與傳統殼層模型每個(gè)殼層上的核子數相同，這使人們想到，在原子核內的夸克存在有自由度，它們可能不像在自由核子中那樣禁閉，那么原子核內的夸克究竟有多大的幾率跑出核內的核子之外？原子核內的夸克自由度能否表現出來(lái)？在對這些關(guān)鍵問(wèn)題的研究中，核物理與粒子物理兩大學(xué)科又重新走到一起，而趨于匯合之中。
EMC效應
傳統的原子核的質(zhì)子-中子模型在描述低能核現象時(shí)都十分成功，這表明，要發(fā)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(guò)膠子相互作用的夸克系統，核子在核內不停地運動(dòng)，又會(huì )由于核子間的重疊形成夸克集團，這樣一來(lái)，核內核子的性質(zhì)，如大小、質(zhì)量等，一定與自由核子不同，例如會(huì )稍微膨脹而變“胖”和有效質(zhì)量變小等。此外，禁閉在核內核子中的夸克密度分布也會(huì )與自由核子的不同。這些都是由于夸克自由度帶來(lái)的影響，稱(chēng)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(cháng)越短，分辨核內微小尺度的能力越強。此外，最好采用電子和μ子等非強子作探針，以避免強相互作用干擾，因為對強相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對于實(shí)驗的結果，有人預計，當用能量高達幾個(gè)京電子伏的高能輕子打入核內時(shí)，它們與核內夸克相互作用而散射，通過(guò)對散射粒子的能量、動(dòng)量和散射角分布的測量，探知核內夸克的動(dòng)量分布，即核子的結構函數。而另一些人則認為，原子核只是一個(gè)質(zhì)子-中子構成的弱束縛體系，對于高達幾個(gè)京電子伏的高能過(guò)程，這種弱的束縛不會(huì )起什么作用，核的“環(huán)境”影響不能顯示出來(lái)，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(huì )顯示什么差異。然而實(shí)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(lái)自17個(gè)國家和地區的89位高能物理學(xué)家，組成了歐洲μ子實(shí)驗合作組（EMC組），進(jìn)行了帶電輕子深度非彈性散射實(shí)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(gè)到幾十個(gè)GeV，這一實(shí)驗結果發(fā)表在《物理通訊》雜志上。實(shí)驗得到了鐵原子核結構函數與氘核結構函數的比值，發(fā)現這一比值是夸克動(dòng)量與核子平均動(dòng)量比值x的函數，當x在一定的范圍（布約肯區）內時(shí)，這個(gè)比值為0.05～0.8，且呈一定規律隨x變化。這個(gè)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(zhì)，這個(gè)比值應為1，比值偏離1的實(shí)驗結果表明，原子核內的核子包含了較多的低能夸克。盡管核子在核內的束縛很弱，周?chē)宋镔|(zhì)的存在依然明顯地影響到束縛在核內夸克的動(dòng)量分布。面對這一實(shí)驗事實(shí)，人們不得不改變原來(lái)的看法，這一結果由此得名為“EMC效應”。隨后，EMC效應陸續被美國斯坦福直線(xiàn)加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個(gè)大加速器的實(shí)驗證實(shí)。
EMC效應的發(fā)現引起了世界性的轟動(dòng)，這不是偶然的。它像科學(xué)史上許多其它重要發(fā)現一樣，不是“先驗的理論”，而是實(shí)驗事實(shí)強迫人們去接受一種新的觀(guān)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。這里值得提起一個(gè)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(fā)現EMC效應。在70年代初，在斯坦福直線(xiàn)加速器實(shí)驗室（SLAC）就有一個(gè)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(zhì)子和中子的結構函數。因為用來(lái)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(jìn)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(fā)表以后，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(chēng)這是“做了一次‘考古學(xué)’的研究”。其結果確實(shí)充滿(mǎn)戲劇性，兩次研究一前一后時(shí)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(shí)不僅再一次令人信服地證實(shí)了EMC效應的存在，還使人們冷靜地看到，SLAC小組先于十幾年得到實(shí)驗的全部數據，卻未能成為EMC效應的發(fā)現人，這不能不說(shuō)明，對于那些已被廣泛接受卻未經(jīng)實(shí)驗事實(shí)證實(shí)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（C、Ca、Cu、Fe、Sn）進(jìn)行了測量。結果發(fā)現，在0≤x<0.1時(shí)，結構函數比值小于1，有明顯的遮蔽現象；而在0.1≤x≤0.2時(shí)，結構函數比值大于或等于1，有較弱的反遮蔽現象，而且遮蔽現象隨不同的核而不同。伯格（E. L. Berger）等人對這一現象做出了解釋。他們先從傳統的核子-介子模型出發(fā)，同時(shí)考慮了核子的費密運動(dòng)修正，認為遮蔽現象來(lái)源于核子造成的“影子”，即入射粒子“看不到”處于“影子”中的核子。根據這一解釋?zhuān)诒维F象本應該隨著(zhù)入射高能輕子轉移給靶核動(dòng)量的增大而迅速地減小，以至消失，然而實(shí)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，原子核并非簡(jiǎn)單的核子的集合，即使引入了核子運動(dòng)的費密修正，核內的夸克分布也與自由核子不同，這就迫使人們不得不考慮夸克自由度的問(wèn)題。
根據量子色動(dòng)力學(xué)，夸克的相互作用性質(zhì)與核力、電磁力及引力性質(zhì)完全相反。在強子內，夸克間距離很小時(shí)，它們幾乎相互沒(méi)有作用，行為像無(wú)相互作用的自由粒子，然而隨著(zhù)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(fā)現使人們想到，禁閉在核“環(huán)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(huán)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(gè)束縛核子中“滲透”出來(lái)，再進(jìn)入另一個(gè)束縛核子之中，兩個(gè)相互靠得較近的核子會(huì )以一定的幾率彼此“融合”，使核子自身膨脹起來(lái)，核子會(huì )因這種膨脹而變“胖”，隨之有效質(zhì)量減小。核內核物質(zhì)密度越大，核子重疊機會(huì )越多，夸克禁閉長(cháng)度增加就越大，這一效應就越明顯。對EMC效應的這一解釋先后由卡爾森（E. E. Carlson）及克洛斯（F. E. Close）等人給出，他們的解釋與1988年EMC協(xié)作組的實(shí)驗結果取得了大部分的一致。
事實(shí)證明，夸克自由度的研究還是很初步的，與問(wèn)題的最后的圓滿(mǎn)解決仍有相當大的距離。隨著(zhù)研究的深入，問(wèn)題也不斷地接踵而來(lái)。1990年下半年，斯坦福直線(xiàn)加速器研究中心又公布了有關(guān)EMC效應的新實(shí)驗結果，他們用800GeV的高能質(zhì)子轟擊不同的靶核所產(chǎn)生的雙μ子實(shí)驗，測定了靶核內海夸克密度分布變化。結果表明，在布約肯變量范圍0.1<x<0.3時(shí)，海夸克密度大致沒(méi)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(jìn)行重新的認識；另一方面，從核的夸克禁閉性質(zhì)變化討論禁閉的根源又為粒子物理的研究展開(kāi)了一個(gè)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的實(shí)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(guān)聯(lián)終將會(huì )被揭示出來(lái)。
形態(tài)探索
簡(jiǎn)述
迄今為止，已發(fā)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(xiàn)、質(zhì)子滴落線(xiàn)及自裂變半衰期大于1μs的限制邊界內所包圍的核素應有8000余種，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(guān)實(shí)驗室不惜耗費重金搜索的目標。
然而，隨著(zhù)遠離β穩定線(xiàn)，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。遠離穩定線(xiàn)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特的性質(zhì)，例如它們的中子、質(zhì)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(fā)射、β延遲衰變、表面結團結構、形狀共存以及中子滴落線(xiàn)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(fā)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(xiàn)附近幾百種核研究基礎上建立起來(lái)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(xiàn)的原子核研究中得到檢驗、深化與發(fā)展。隨著(zhù)新核素的生成與鑒別，以及隨著(zhù)對它們的衰變性質(zhì)及核結構的研究，會(huì )不斷地有新的現象被揭示，人們對核內部的結構以及運動(dòng)規律的認識也將不斷地深化。此外通過(guò)對遠離β穩定線(xiàn)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。
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50年代以前，人們在研究原子核的結構與變化時(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(xiàn)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(zhù)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核子轉移反應。從60到80年代，重離子核反應開(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30～40種新核素的速度發(fā)展著(zhù)。1982年5月11日，美國勞侖斯-伯克利實(shí)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，并將其加速到每個(gè)核子147.7MeV的能量，整個(gè)鈾238離子的總能量達到35GeV。在這個(gè)能量上，離子速度達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稱(chēng)為貝瓦萊克（Bevalac）的加速裝置獲得的。這臺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。然后，令其加速，當鈾離子的速度超過(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 )有相當多的電子被“剝離”，而形成帶較多正電荷的鈾離子，例如U。再使U繼續加速，再使其通過(guò)聚酯樹(shù)脂薄膜，得到U和U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(zhù)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。由于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(zhù)距離增加，核力急劇下降，使原子有一個(gè)極限尺寸，超過(guò)這個(gè)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(tài)，它們稍微受到接觸就會(huì )裂解，之后，庫侖力占優(yōu)勢，使核裂片互相分離。在Bevalac中產(chǎn)生的相對論性高速鈾核就可以用來(lái)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(guò)對徑跡分析發(fā)現，鈾核與探測器物質(zhì)原子核相撞，出現了一系列奇特現象。例如，在 152個(gè)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(lèi)事件是高能核裂變的一種反常行為。
用類(lèi)氦鈾原子還可以對量子電動(dòng)力學(xué)（QED）進(jìn)行檢驗。根據量子電動(dòng)力學(xué)，原子體系的躍遷能量可以用一個(gè)數學(xué)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(guò)去，在把這個(gè)表述式用于氫和氦等簡(jiǎn)單原子時(shí)，由于較高階項帶來(lái)的修正在實(shí)驗中不易被察覺(jué)，常被略去不計，可是對于類(lèi)氦鈾原子，這些高價(jià)項卻起著(zhù)重要作用，在這種情況下，將對 QED的理論進(jìn)行高階次的檢驗。在高能重離子實(shí)驗中，還發(fā)現了一種具有奇特性質(zhì)的“畸形子”，這是一種比通常的核更容易與物質(zhì)發(fā)生作用的原子核或核碎片。當它們穿透物質(zhì)時(shí)，在沒(méi)有到達正常深度前，就已經(jīng)與物質(zhì)發(fā)生了作用，所以它們在靶中的運動(dòng)深度比正常核碎片淺得多。一些高能重離子實(shí)驗表明，大約有3%～5%的核碎片屬于畸形子。有一種說(shuō)法認為，它們可能就是一種“夸克-膠子”等離子體。在這類(lèi)等離子體中，中子、質(zhì)子已被破壞得失去原來(lái)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，世界上共有4臺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(jīng)能加速直到鈾元素的全部重離子；美國布魯克海汶國家實(shí)驗室（BNL）可以把O、S、Au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O、 S加速到60GeV/N；美國布魯克海汶國家實(shí)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(zhì)子-質(zhì)子對撞機所開(kāi)掘的隧道里，隧道周長(cháng)3.8km。它包括兩個(gè)巨大的超導磁環(huán)，最大磁場(chǎng)3.8T，可以使質(zhì)量數小于或等于200的離子能量達到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)現普通核到夸克-膠子等離子體的相變。在今后的20年內，相對論重離子物理可望獲得重要進(jìn)展。
重離子研究
相對論重離子物理學(xué)是發(fā)展較快的核物理前沿領(lǐng)域，也是今后若干年內核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度（達到10K，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(cháng)期以來(lái)渴望求到卻又難以得到的一種物質(zhì)形態(tài)。夸克-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，夸克在強子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說(shuō)，上一世紀給本世紀留下了兩個(gè)謎，一個(gè)是無(wú)絕對的慣性系，一個(gè)是波-粒二象性，這兩個(gè)謎已隨著(zhù)愛(ài)因斯坦的相對論及量子力學(xué)的建成得以解決，那么，本世紀粒子物理學(xué)的發(fā)展又使另外兩個(gè)更深層次的謎，一是對稱(chēng)性破缺，一是夸克禁閉呈現了出來(lái)。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(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論，這些理論的最終統一將使這兩個(gè)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(gè)謎相關(guān)，正因如此，有人稱(chēng)這項研究具有“世紀性的地位”。當兩束高能重離子相撞時(shí)，雖然在極短的時(shí)間內，離子之間無(wú)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(fā)態(tài)的理想區域。這時(shí)物質(zhì)的有效質(zhì)量為零，手征對稱(chēng)性得以恢復。此外，又根據核的相變理論，在正常溫度TN和正常密度ρN條件下，一般核物質(zhì)處于正常核態(tài)；但當密度達到2ρN時(shí)，可能出現π凝聚，這是核物質(zhì)具有較高秩序的狀態(tài)，類(lèi)似晶體點(diǎn)陣排列的原子；當密度達到5ρN左右，單個(gè)核子產(chǎn)生許多新的激發(fā)能級，核變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的強子物質(zhì)；若再進(jìn)一步壓縮核物質(zhì)，使密度達到10ρN左右，核由強子激發(fā)態(tài)繼續發(fā)生相變，此時(shí)出現解除夸克禁閉，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范圍內自由運動(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。人們一致認為，高能重離子反應是實(shí)現這一相變的最有希望的途徑。有人估計，要實(shí)現普通核的非禁閉相變，核碰撞質(zhì)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(shí)驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）將能滿(mǎn)足這一要求。
(2)格點(diǎn)規范場(chǎng)理論對相變條件的預言
為探索夸克-膠子等離子體，首先應從理論上估計核物質(zhì)由強子態(tài)向夸克-等離子體相變發(fā)生的條件。先從核物質(zhì)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(tài)的4倍時(shí)，相變即可實(shí)施。然而這種方法僅只是一種估算，精確的方法應采用格點(diǎn)規范理論。在強子尺度的小范圍內，研究夸克的物質(zhì)運動(dòng)規律時(shí)，量子色動(dòng)力學(xué)采用了微擾展開(kāi)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，夸克-膠子的等效相互作用強度并不小，由于交換動(dòng)量的結果，使夸克-膠子體系產(chǎn)生了各種非微擾量，原來(lái)的微擾法不再適用。在強相互作用中，這種非微擾效應表多方面。從粒子的質(zhì)量看，質(zhì)子的質(zhì)量恰好是938MeV，Δ粒子的質(zhì)量是1236MeV，π0介子質(zhì)量是135MeV，為什么它們恰好是上述值，這實(shí)際上就是一種由非微擾效應產(chǎn)生的結果。此外，粒子的壽命、衰變現象、零點(diǎn)波函數、磁矩、結構函數甚至真空結構等，也都是夸克-膠子在大距離上的作用效應，也屬于非微擾效應產(chǎn)生的結果。這些現象與非微擾效應的關(guān)系，是粒子物理學(xué)中十分重要而又未被完全開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。1974年，美國康奈爾大學(xué)的威爾遜（K.G.Welson）提出了格點(diǎn)規范場(chǎng)理論，用以解釋非微擾現象。其作法是，先設法在4維時(shí)空中取一系列等間隔的格點(diǎn)，連續的時(shí)空被一系列離散的格點(diǎn)所代替。他規定，膠子規范場(chǎng)只在格點(diǎn)間的鍵上起作用，而夸克費窯場(chǎng)則定義在格點(diǎn)上。由上述場(chǎng)量組成的格點(diǎn)作用量具有規范不變性。當格點(diǎn)間的距離趨于零時(shí)，格點(diǎn)作用量趨于原有的量子色動(dòng)力學(xué)作用量，格點(diǎn)規范理論趨于連續時(shí)空的規范理論，與連續時(shí)空的漸近自由相對應。下一步做法是，先在格點(diǎn)體系中計算各個(gè)物理量，然后再把格點(diǎn)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(shí)上，微觀(guān)世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來(lái)的。當認識水平未達到一定的層次時(shí)，先討論微擾量只是一種對復雜事物的簡(jiǎn)單處理方法。格點(diǎn)規范場(chǎng)理論的建立表明，人的認識水平又向更高層次邁進(jìn)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(wú)窮多自由度的體系，格點(diǎn)微擾理論把它們之間的相似性突出地表現了出來(lái)。然而，格點(diǎn)規范理論的計算是很復雜的，因為每個(gè)格點(diǎn)有四個(gè)正方向共四個(gè)鍵，在SU(3)規范不變條件下，每個(gè)鍵有8個(gè)獨立變量，每個(gè)格點(diǎn)又有正反夸克場(chǎng)，每個(gè)夸克場(chǎng)有4個(gè)Dirac分量，有三種色，至少有四種味，這樣一來(lái)，對于每邊有16個(gè)格點(diǎn)的四維立方體，就有200萬(wàn)個(gè)獨立變量。由于系統復雜，尚不能使用解析方法求解。但是由于理論的規范不變性，使討論對象具有群積分的性質(zhì)，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(shí)驗室的大型計算機，使用抽樣計數方法，即蒙特卡羅數值計算法，計算了這些群積分，不僅首次得到了π介子、質(zhì)子、Δ粒子等強子的質(zhì)量，而且還得到了π介子衰變常數以及標志手征對稱(chēng)性自發(fā)破缺不為零的數值。以后，又有人用同樣方法計算出更有意義的結果，例如證實(shí)了兩個(gè)重夸克之間的位勢隨距離的增加，呈現由庫侖位勢向線(xiàn)性位勢的變化。這一結果證明了夸克之間距離加大時(shí)，存在有越來(lái)越大的作用力，結果使它們“禁閉”起來(lái)（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(shí)，夸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(lái)，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(fā)生，這一結果確實(shí)給人極大的鼓舞。
實(shí)驗嘗試
1986年，歐洲原子核研究中心（CERN）在SPS加速器上首次進(jìn)行了（60GeV～200GeV）/N的氧束流沖擊重靶的實(shí)驗，這是一次較為成功的相對論重離子實(shí)驗。在這以前所做的有關(guān)實(shí)驗，如 CERN的p-p，α-α實(shí)驗；費密實(shí)驗室的p-p實(shí)驗，雖然能量很高，但由于碰撞粒子的質(zhì)量太輕，高能密度聚集的范圍太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶實(shí)驗，雖然粒子足夠重，但每個(gè)核子的能量只有1.8GeV，這個(gè)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(shí)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(shí)驗中，發(fā)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(gè)電子，e和e；還可能衰變成兩個(gè)μ子，μ和μ；或者衰變成強子。在高能碰撞中，強子也可能產(chǎn)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(tài)。當有QGP產(chǎn)生時(shí)，由于德拜屏蔽效應的存在，會(huì )抑制c束縛態(tài)的出現，因而不能組成J/ψ粒子，或者說(shuō)J/ψ中產(chǎn)生的幾率下降，于是J/ψ中粒子產(chǎn)額抑制現象常被當作為QGP出現的信號。
CERN使用的是200GeV/N的S打擊U，所形成的體系可能是發(fā)射π介子和K介子，也可能發(fā)射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰變，通過(guò)衰變粒子，如μ和μ，來(lái)判斷J/ψ粒子的產(chǎn)額。在碰撞區形成一團火球，邊緣地區的J/ψ粒子產(chǎn)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(chǎn)生QGP的跡象。
另一個(gè)顯示出現QGP跡象的實(shí)驗是在美國布魯克海汶國家實(shí)驗室進(jìn)行的，這是測定K/π比例的實(shí)驗。他們使用了14.5GeV/N的Si束打擊Au靶，觀(guān)測K與π產(chǎn)額之比，并與質(zhì)子對撞情況相比較。他們認為，如果有QGP產(chǎn)生，π、K和π產(chǎn)額將減少，至多是不變，而K 的產(chǎn)額卻要增加，這樣一來(lái)，有QGP時(shí)，K/π產(chǎn)額比值應加大。他們的實(shí)驗結果是：Si打擊Au后，K/π產(chǎn)額比值由質(zhì)子對撞時(shí)的0.07上升為0.20，而K/π的比值則與質(zhì)子對撞時(shí)一樣。
重離子對撞實(shí)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(gè)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(1fm=10m），徑向半徑約有2.6～5.6fm。一個(gè)碰撞事例往往可以產(chǎn)生500個(gè)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(guò)上述特征估計 QGP的形成仍只是一種試探。即使如此，由于理論物理學(xué)家已給出相變存在的可能性，也由于實(shí)驗物理學(xué)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(shí)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，這一切都使得夸克-膠子等離子體的研究成為核物理學(xué)前沿的熱點(diǎn)課題之一。
奇異核
所發(fā)現的另一種核物質(zhì)的新形態(tài)是包含其它強子的核多體系統，又稱(chēng)奇異核，例如Λ超核、Ζ超核以及反質(zhì)子核等。只有Λ超核為實(shí)驗所肯定，已開(kāi)展了一些Λ超核譜學(xué)及生成Λ超核機制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線(xiàn)研究中發(fā)現的。1952年，波蘭物理學(xué)家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線(xiàn)核乳膠中，發(fā)現一個(gè)特殊的事例。這是一個(gè)高能質(zhì)子擊碎了核乳膠中的銀原子，產(chǎn)生的一個(gè)碎片，再通過(guò)發(fā)射帶電π介子和一個(gè)質(zhì)子衰變，碎片衰變的特征與理論上預料的Λ超子完全相同，因而認定這個(gè)碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ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恒，因而Λ超子在核物質(zhì)中相對強相互作用是穩定的，只能產(chǎn)生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命，因而在實(shí)驗中可以比較容易地觀(guān)察到Λ超核。已經(jīng)在實(shí)驗中觀(guān)察到幾十種Λ超核以及包含兩個(gè)Λ超子的雙超核，甚至包含若干個(gè)Λ超子的∑超核。超核的發(fā)現，不僅打破了過(guò)去原子核只是由中子、質(zhì)子組成的傳統看法，而且通過(guò)超核的研究，還進(jìn)一步獲得了有關(guān)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(gè)重要分支領(lǐng)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(zhù)特殊的衰變方式。普通核的衰變類(lèi)型有：α衰變、β衰變（包括電子俘獲過(guò)程）、γ衰變（包括內變換過(guò)程）和自發(fā)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(jīng)β衰變后的末態(tài)核仍處于較高的激發(fā)態(tài)，若這一激發(fā)態(tài)的能量高于其中的核子或核子集團的結合能時(shí)，這個(gè)末態(tài)核仍有可能把多余的能量釋放出來(lái)，退激發(fā)而變?yōu)橐环N新的核，稱(chēng)為子核。這種奇異衰變分為兩個(gè)階段，同時(shí)有三代核素參與，然而由于第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多，在實(shí)驗觀(guān)測時(shí)，僅觀(guān)察到第一階段的β半衰期，故常把這種放射性稱(chēng)為β延遲粒子發(fā)射，或緩發(fā)粒子發(fā)射。其實(shí)，早在1916年盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）和伍德（Robert Williams Wood，1868～1955）在研究212Bi引起的熒光現象時(shí)，就曾發(fā)現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(cháng)射程α粒子，這實(shí)際上就是β衰變緩發(fā)α粒子。雖然他們觀(guān)察到這個(gè)現象，卻不明白其成因。直到1930年，伽莫夫（GeorgeGamow，1904～1968）也觀(guān)測到了這個(gè)奇特的現象，才對它做出了解釋。伽莫夫認為Bi先經(jīng)過(guò)β衰變到Po，如果Po處于激發(fā)態(tài)，它再放出帶有該激發(fā)態(tài)能量的α粒子，這部分激發(fā)態(tài)能量轉化為α粒子的動(dòng)能，因而具有較高的能量。如果處于激發(fā)態(tài)的Po先經(jīng)過(guò)γ發(fā)射回到基態(tài)，就會(huì )發(fā)射低能量的α粒子。Bi就是緩發(fā)α粒子的先驅核，而末態(tài)核發(fā)射α粒子后變?yōu)?/span>Po，就是緩發(fā)α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀(guān)測到的β緩發(fā)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(chǎn)生了β延遲α發(fā)射的先驅核Li。1939年，羅伯茨又在中子轟擊鈾的實(shí)驗中，首次探測到了β延遲的中子發(fā)射。50年代末，卡爾諾克霍夫首次觀(guān)測并鑒別出β延遲的質(zhì)子發(fā)射先驅核。此后，被發(fā)現的先驅核數量增加很快。近20多年來(lái)，大規模尋找緩發(fā)粒子的先驅核，并利用這種奇特的衰變方式研究奇異核的性質(zhì)已成為核物理研究中的一個(gè)重要課題。
近十多年來(lái)，由于實(shí)驗技術(shù)的發(fā)展，又陸續發(fā)現了β延遲衰變后兩個(gè)或三個(gè)核子發(fā)射的奇異衰變方式。1979年9月歐洲原子核研究中心的一個(gè)研究組觀(guān)測到了β延遲的二中子發(fā)射，以后又觀(guān)測到三中子發(fā)射。1984年，勞侖斯-伯克利實(shí)驗室的一個(gè)研究組在88英寸的回旋加速器上，觀(guān)測到了土Al的β延遲二質(zhì)子發(fā)射現象。接著(zhù)歐洲原子核研究中心又在線(xiàn)同位素分離器上發(fā)現了Liβ延遲He和H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(jìn)展。1984年，牛津大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現了一個(gè)奇特的現象。Ra的α衰變半衰期通常為11.4d，然而在這種衰變中，他們卻發(fā)現了能量在30MeV的C離子。這一現象出現的幾率很小，大約在10衰變中才有一次，由于他們沒(méi)有放過(guò)這個(gè)很容易被疏忽的現象，以后又陸續發(fā)現了Ra、Ra和Ra的C衰變；Th、 Pa、U、U和U的Ne衰變以及U的Mg衰變。這一放射性所發(fā)射的實(shí)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?zhuān)约皩ふ倚碌闹仉x子發(fā)射核實(shí)驗已經(jīng)成為核物理中活躍的研究領(lǐng)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(guò)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(shí)發(fā)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(chēng)為硬的變形核；有的核在一定的變形范圍內，能量的變化不大，被稱(chēng)為軟的變形核。按照這一模型，除了核子可以在核內運動(dòng)外，原子核還可以作為整體振動(dòng)或轉動(dòng)。處于不同狀態(tài)的核，具有不同的能量和角動(dòng)量，并對應一定的形狀，這些能量又不是連續的。通過(guò)大量的β穩定線(xiàn)附近的核研究，人們已經(jīng)找到了核的能級分布與形狀間的關(guān)系。
當核轉動(dòng)時(shí)，如果形狀發(fā)生變化，轉動(dòng)慣量相應改變，就會(huì )導致核轉動(dòng)能級分布情況變化。這一規律的研究已成為研究奇異核的基礎。在70年代，實(shí)驗上已經(jīng)發(fā)現，某些核可以有不同的形狀，它們對應著(zhù)不同的能級，有一組建立在球形基態(tài)上，能級的間隔較寬；另一組開(kāi)始的間距較小，后來(lái)越來(lái)越大，它們對應著(zhù)硬變形核的轉動(dòng)和振動(dòng)。這種不同形狀的狀態(tài)在核中同時(shí)存在的現象，稱(chēng)為形狀共存現象。對這一現象的研究，使過(guò)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(lián)系。核的變形程度通常用一個(gè)參數β描述。β近似等于核長(cháng)短軸之差與兩軸平均長(cháng)度之比。典型變形核的β值在0.2～0.25范圍。β在0.35～0.4范圍時(shí)，稱(chēng)為超變形核。超變形核的第一激發(fā)態(tài)能級往往很低。β值及極低的第一激發(fā)態(tài)成為超變形核的兩個(gè)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(zhì)子數在38附近的核，屬于自然界中最強變形的核。果然，人們在遠離β穩定線(xiàn)區域檢驗球殼層模型中發(fā)現，質(zhì)子數和中子數都接近幻數40的核，如Kr、Kr核具有非常大的變形。奇異核研究已與重離子核物理相結合，人們廣泛采用中、高能重離子束，通過(guò)彈核破裂的反應機制合成新的奇異核素，并通過(guò)核素分離產(chǎn)生的次級奇異核束流研究奇異核反應及其性質(zhì)。
歷史
未來(lái)發(fā)展
研究超重原子核和超重元素，探索原子核的電荷和質(zhì)量極限，是重要的科學(xué)前沿領(lǐng)域。超重原子核的存在源于量子效應。上個(gè)世紀60年代，理論預言存在一個(gè)以質(zhì)子數114和中子數184為中心的超重穩定島，這極大地促進(jìn)了重離子加速器及相關(guān)探測設備的建造和重離子物理的發(fā)展。到目 前為止，實(shí)驗室合成了118號及之前的超重元素。其中116號、114號和113號以下的新元素已被命名。利用重離子熔合反應合成更重的超重元素還面臨著(zhù)很多挑戰，需要理論與實(shí)驗密切結合，探索超重原子核性質(zhì)與合成機制，以登上超重穩定島。
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