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[科普中国]-原子核

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简介

原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分,占了99.96%以上原子的质量,与周围围绕的电子组成原子。原子核由质子和中子构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是则由两个下夸克和一个上夸克组成。原子核极小,它的直径在10-12至10-13公分之间,体积只占原子体积的几千亿分之一,如果将原子比作地球,那么原子核相当于棒球场大小,而核内的夸克及电子只相当于棒球大小。原子核的密度极大,约为1014克/立方公分,原子核内有核壳层结构,称为幻核。1

构成原子核的质子和中子之间存在介子,以传递原子核内巨大的吸引力-强力,强力比电磁力强137倍,故能克服质子之间所带正电荷的电磁斥力而结合成原子核。原子核的能量极大,当原子核发生裂变(重原子核分裂为两个或更多的核)或聚变(轻原子核相遇时结合成为重核)时,会释放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能发电)。质子和中子及介子由价夸克(组分夸克)及诲夸克(流夸克)组成,夸克亦有层层(壳)结构,外层为横向连接的价夸克,内层为纵向叠加的诲夸克,而外层为3个横向连接的束缚态价夸克。价夸克按比例(2个上型夸克帯+2/3电荷,1个下型夸克帯-1/3电荷)分掉质子(或3夸克超子)内的整数电荷,故夸克带分数电荷。纵向叠加的诲夸克正负电荷相抵=零,原子内带正电荷的质子与带负电荷的电子数量相同,故整个原子呈电中性。1

本质1912年英国科学家卢瑟福根据α粒子轰击金箔的实验中,绝大多数α粒子仍沿原方向前进,少数α粒子由于撞击到了电子发生较大偏转,个别α粒子偏转超过了90°,有的α粒子由于撞上原子核所以偏转方向甚至接近180°。该试验事实确认了:原子内含有一个体积小而质量大的带正电的中心,这就是原子核模型的来历。2

相互作用核子之间的核力,是一种比电磁作用大得多的相互作用。原子半径很小,质子间库仑斥力很大,但原子核却很稳定。所以原子核里质子间的除了库仑斥力外还有核力。只有在2.0×10-15m的短距离内才能起到作用。

质子和质子之间、质子和中子之间、中子和中子之间都存在。2

电荷卢瑟福实验卢瑟福用一束α射线轰击金属薄膜,发现有少部分α粒子大角度改变运动方向,并在此基础上提出了行星式原子结构模型:原子中存在一个带正电的核心,即原子核。3

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验,实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性,实验结果却成了否定汤姆逊原子模型的有力证据。在此基础上,卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构,必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子,这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验,如图是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po),它发出的α射线从铅盒的小孔射出,形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后,射到荧光屏上产生一个个的闪光点,这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果,整个装置放在一个抽成真空的容器内,带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结论原子是电中性的,核带有的正电荷等于核外电子的总负电荷。对原子序数为Z的原子,核带正电+Ze。核的电荷数是一个严格的整数,它等于核内的质子数。质子带正电+e,与电子的电量相等。3

理论进展研究历程核物理研究一开始,就面临着一个重要的问题,这就是核子间相互作用的性质。人们注意到,大多数原子核是稳定的,而通过对不稳定原子核的γ衰变、β衰变和α衰变的研究发现,原子核的核子之间必然存在着比电磁作用强得多的短程、且具有饱和性的吸引力。此外,大量实验还证明,质子-质子、质子-中子、中子-中子之间的相互作用,除了电磁力不同外,其它完全相同,这就是核力的电荷无关性。1935年,汤川秀树(YukawaHideki 1907~1981)提出,核子间相互作用是通过交换一种没有质量的介子实现的。1947年,π介子被发现,其性质恰好符合汤川的理论预言。

介子交换理论认为,单个π介子交换产生核子间的长程吸引作用(≥3×10-13cm),双π介子交换产生饱和中程吸引作用[(1~3)×10-13cm],而ρ、ω分子交换产生短程排斥作用(50MeV时,纯核子自由度的计算与实验结果的偏离明显地加大,只有考虑了π介子自由度以后,才与实验结果一致。这一实验不仅证明了核内π介子的存在,而且还说明了在通常的低能核物理中,分子的自由度不能表现出来。另一个证明π介子自由度的是利用电子散射对3He形状因子的研究实验。实验结果表明,在电子与核的动量转移过程中,越接近核中心区域,动量交换值越大,核中心区域是高动量转移区,核的边缘为低动量转移区,而只有在低动量转移区,纯核子自由度理论才与实验结果符合,在高动量转移的中心区,必须计入π介子及Δ自由度的影响,才能与实验符合。这个实验不仅证明了核内π介子自由度的存在,而且进一步指出,在原子核的中心区域,非核子自由度问题的重要性更为突出。2

夸克自由度从40年代末到50年代初,随着世界上各大型加速器的投入运行,粒子物理逐渐从核物理中分化了出来。上世纪60年代以后,粒子物理取得了一系列令人瞩目的进展。例如,在70年代初,格拉肖、萨拉姆和温伯格将弱、电相互作用统一在SU(2)×U(1)对称群的规范理论之中,并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实。粒子物理的另一个著名成就是夸克模型和量子色动力学的建立。根据微观世界中的对称性,不仅可以对强子进行分类,而且还对强子内部结构的认识提供了有效的途径。低能强子按SU(3)对称群分类,这些强子的基本构件,也是SU(3)对称群的基础就是夸克,包括u夸克、d夸克和s夸克。为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系,每种夸克还有3种不同的色,色相互作用是强相互作用的起源,而传递色相互作用的8个媒介子就称为胶子。实质上,强相互作用理论即为SU(3)色对称群的规范理论,称为量子色动力学(QCD)。根据夸克模型,原子核的核子应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-反夸克对胶子组成,而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成。这种物质结构的新观点启发人们思索,核内的核子处于核的“环境”之中,它们到底与自由核子有什么区别?核“环境”对核子有什么影响?核内的夸克和胶子的分布如何?它们都参与什么作用?……这一系列问题都将与核内夸克自由度等的非核子自由度有关,这些问题已成为当今核物理发展的关键。

还不能严格地用量子色动力学描述原子核这样的多夸克系统,考虑到可能存在夸克自由度,有人提出了一个更为大胆的简化核模型。这一模型从夸克和它们之间的相互作用力出发,采用类似传统的独立粒子壳层模型的方法来解释原子核的各种性质。在考虑夸克间相互作用时,这一模型假定存在有“对力”,而不考虑夸克的禁闭性质。根据这一模型,夸克的色自由度使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的核子数相同,这使人们想到,在原子核内的夸克存在有自由度,它们可能不像在自由核子中那样禁闭,那么原子核内的夸克究竟有多大的几率跑出核内的核子之外?原子核内的夸克自由度能否表现出来?在对这些关键问题的研究中,核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起,而趋于汇合之中。2

EMC效应传统的原子核的质子-中子模型在描述低能核现象时都十分成功,这表明,要发现核内的夸克效应或其它非核子自由度应该到高能核现象中去寻找。此外,根据标准模型预言,原子核是由若干核子、介子组合的集合系统,而核子、介子又都是通过胶子相互作用的夸克系统,核子在核内不停地运动,又会由于核子间的重叠形成夸克集团,这样一来,核内核子的性质,如大小、质量等,一定与自由核子不同,例如会稍微膨胀而变“胖”和有效质量变小等。此外,禁闭在核内核子中的夸克密度分布也会与自由核子的不同。这些都是由于夸克自由度带来的影响,称之为夸克效应。

寻求核内夸克效应的最直接和有效的方法就是用“探针”探测。这种“探针”就是能量极高的入射粒子。入射粒子的能量越高,它的德市洛意波长越短,分辨核内微小尺度的能力越强。此外,最好采用电子和μ子等非强子作探针,以避免强相互作用干扰,因为对强相互作用的了解不如电磁相互作用那样清楚。对于实验的结果,有人预计,当用能量高达几个京电子伏的高能轻子打入核内时,它们与核内夸克相互作用而散射,通过对散射粒子的能量、动量和散射角分布的测量,探知核内夸克的动量分布,即核子的结构函数。而另一些人则认为,原子核只是一个质子-中子构成的弱束缚体系,对于高达几个京电子伏的高能过程,这种弱的束缚不会起什么作用,核的“环境”影响不能显示出来,在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上,测量这种结构常数不会显示什么差异。然而实验的结果,却大大出乎后一些人的预料。

1982年,在欧洲粒子物理研究中心,由来自17个国家和地区的89位高能物理学家,组成了欧洲μ子实验合作组(EMC组),进行了带电轻子深度非弹性散射实验。他们使用的高能轻子为电子、μ子和中微子,轻子与核子间传递的能量高达几个到几十个GeV,这一实验结果发表在《物理通讯》杂志上。实验得到了铁原子核结构函数与氘核结构函数的比值,发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值x的函数,当x在一定的范围(布约肯区)内时,这个比值为0.05~0.8,且呈一定规律随x变化。这个结果很重要,因为如果认为核内的核子仍保持自由核子的性质,这个比值应为1,比值偏离1的实验结果表明,原子核内的核子包含了较多的低能夸克。尽管核子在核内的束缚很弱,周围核物质的存在依然明显地影响到束缚在核内夸克的动量分布。面对这一实验事实,人们不得不改变原来的看法,这一结果由此得名为“EMC效应”。随后,EMC效应陆续被美国斯坦福直线加速器、德国的电子同步加速器及世界上其它几个大加速器的实验证实。

EMC效应的发现引起了世界性的轰动,这不是偶然的。它像科学史上许多其它重要发现一样,不是“先验的理论”,而是实验事实强迫人们去接受一种新的观念,这就是原子核内核子的亚结构与一般自由核子的亚结构有明显的不同。这里值得提起一个反面的例子,如果人们不是被一些“先验的理论”所束缚,本该更提早十几年发现EMC效应。在70年代初,在斯坦福直线加速器实验室(SLAC)就有一个用高能电子测量核子结构函数的研究组。他们以液氢与液氘为靶,得到了核中质子和中子的结构函数。因为用来盛液氢、液氘的容器是钢和铝的,为消除本底的影响,他们又进行了容器的空靶测量,这样就掌握了钢和铝靶的结构函数,却不曾想到与自由核子的结果相比较。EMC效应的结果发表以后,他们把十几年前依然保存完好的数据重新计算分析,他们自己戏称这是“做了一次‘考古学’的研究”。其结果确实充满戏剧性,两次研究一前一后时隔十几年,对不同的探测粒子、不同能区做了测量,竟然得出完全一致的结果。这一事实不仅再一次令人信服地证实了EMC效应的存在,还使人们冷静地看到,SLAC小组先于十几年得到实验的全部数据,却未能成为EMC效应的发现人,这不能不说明,对于那些已被广泛接受却未经实验事实证实的“先验理论”,确有必要重新检验。1988年,EMC组又在极小的布约肯区(0.003≤x≤0.2)对不同的核(12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn)进行了测量。结果发现,在0≤x