原子核結(jié)構(gòu)的研討論文

　　論文摘要

　　從根本上解決核力問題,進(jìn)而得到一個(gè)自然界的普遍規(guī)律,即原子核是由質(zhì)子與中子較均勻地相間排列,然后首尾相連而構(gòu)成的核子環(huán),圍繞其自身的軸線高速轉(zhuǎn)動(dòng)而形成的殼層結(jié)構(gòu)的帶電液滴球核。核子環(huán)的成環(huán)張力是由核環(huán)上所有質(zhì)子相互推斥提供的，這樣就得到了原子核這個(gè)微觀量子多體系的直觀結(jié)構(gòu)圖象----核子環(huán)。

　　關(guān)鍵詞：核鍵核子環(huán)次中子

　　原子核的直觀結(jié)構(gòu)(I)

　　原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，它介于原子與粒子之間，是由質(zhì)子與中子（統(tǒng)稱核子）組成的非相對(duì)論量子多體體系。此量子多體體系的結(jié)構(gòu)圖象是由核內(nèi)的質(zhì)子與中子依靠一種短程的強(qiáng)相互作用力來維系的。這種核子間的強(qiáng)相互作用，稱為核力或者強(qiáng)力。

　　目前，對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的了解是“多側(cè)面”的：它既具有“獨(dú)立”核子在由其它核子構(gòu)成的平均場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，而又突出地具有核子間有強(qiáng)耦合的集體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；它既是一個(gè)由核子構(gòu)成的非相對(duì)論量子多體體系，而又反映介子、重子乃至夸克自由度的復(fù)雜介質(zhì)；它既是一個(gè)有一定量子數(shù)的有序物質(zhì)狀態(tài)，而又表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)性及在一定條件下具有量子混沌的行為，由于核力問題并沒有根本解決，各式各樣的核結(jié)構(gòu)型雖在一定程度上從某些側(cè)面成功描寫了原子核結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的豐富多彩的多樣性，但也都有各自的問題、困難和局限性。〔1〕

　　因此，我們?nèi)绾尾拍苡煤?jiǎn)單、單一的描述來說明原子核這個(gè)體系的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？如何使各種核模型統(tǒng)一起來呢？也就是說，各種核子究竟是按一種什么樣的規(guī)律組合在一起的，原子核的真實(shí)直觀結(jié)構(gòu)是怎樣的，這是從根本上解決核力問題的關(guān)鍵。以下論述是本文作者的一種大膽嘗試！

　　一、核子間核力作用的飽和性

　　由于核子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子，我們把它們想象成象原子或離子那樣，能夠相互成鍵。我們把各種核子間形成的核力（近似地說是靜態(tài)的，與核子速度無關(guān)，但存在與速度相關(guān)的力），統(tǒng)稱為核鍵，即核子間通過傳遞、交換兀介子而相互成鍵（兀介子的靜止能量比核內(nèi)核子的動(dòng)能大得多），從而出現(xiàn)了兀介子云的疊，就像電子云的重疊那樣。這是一種短程吸引力，作用范圍小于是10-15米，既使在這么小的范圍內(nèi)，鍵長(zhǎng)也是變化的，一般中子與質(zhì)子之間形成的核鍵的鍵長(zhǎng)較短，中子與中子、質(zhì)子與質(zhì)子之間形成的鍵長(zhǎng)較長(zhǎng)。在原子核內(nèi)，具有最短鍵長(zhǎng)的核鍵的單個(gè)鍵能即為核子平均結(jié)合能。（8-8.5Mｅｖ）。一般成鍵后的不同核子不能互相轉(zhuǎn)化。

　　核子間的成鍵與原子成鍵相似，很具有飽和性。就是說，一個(gè)核子同直接與之接觸的不同類核子有核力作用后，同其它核子無核力作用。一個(gè)質(zhì)子最多只能同兩個(gè)直接與之接觸的中子成鍵，而質(zhì)子成鍵達(dá)完全飽和鍵態(tài)，即

　　H，空間平面直觀結(jié)構(gòu)可能為“⊙⊕⊙”（⊙-中子，⊕-質(zhì)子）。而一個(gè)中子最多也只能同兩個(gè)直接與之接觸的質(zhì)子成鍵達(dá)完全飽和鍵態(tài)，即He，空間平面直觀結(jié)構(gòu)為“⊕⊙⊕”。中子（質(zhì)子）之間成鍵不具飽和性，一個(gè)中子同直接與之接觸的中子都能成鍵，但結(jié)合得不緊密，是一種弱的束縛，易因中子的激發(fā)而被自動(dòng)破壞。

　　二、原子核的直觀結(jié)構(gòu)

　　既然核子成鍵具有飽和性，那么它們是怎樣組成穩(wěn)定的原子核的呢？原來，原子核并不是那種單純的“核”，而是由質(zhì)子和中子較均勻地相間排列成鍵，然后首尾相連而構(gòu)成的核子環(huán)，圍繞其自身的軸線高速轉(zhuǎn)動(dòng)而形成的殼層結(jié)構(gòu)的帶電液滴球核。由于核子都集中在核子環(huán)上，因此核內(nèi)是空心的，即原子核具有空虛的質(zhì)心。核環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)形成的球形核就象乒乓球一樣，形成的橢圓形核就象蛋殼一樣。核環(huán)的成環(huán)張力是由核子環(huán)上所有質(zhì)子相互推斥提供的。這樣，原子核外觀表現(xiàn)為質(zhì)子間的較大庫(kù)侖斥力，使核環(huán)伸張，內(nèi)觀則表現(xiàn)為核子間的核力，這種強(qiáng)力使核子一個(gè)拉著一個(gè)，使核收縮，從而產(chǎn)生核的表面張力，但核的表面張力遠(yuǎn)大于質(zhì)子間的斥力，之所以能維持平衡，是因?yàn)楹肆�具有飽和性的緣故。另外，因核的轉(zhuǎn)動(dòng)使核子產(chǎn)生離心力。原子核內(nèi)的斥張力及離心力同核的表面張力的相互抗衡，維持著原子核空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定存在。

　　在核子環(huán)上，每個(gè)核子只與它兩側(cè)的核子有核力作用，形成兩個(gè)核鍵達(dá)飽和，而與其它的核子一般不再有核力作用。這就是核力在原子核內(nèi)的飽和性，正由于這種飽和性，使原子核這個(gè)多體體系的性質(zhì)從復(fù)雜歸于簡(jiǎn)單、單一，核子環(huán)成為環(huán)上任一核子運(yùn)動(dòng)的平均場(chǎng)。

　　三、原子核的運(yùn)動(dòng)形式

　　原子核的核環(huán)上質(zhì)子均勻排列的空間有序性，與核外電子的規(guī)則排布相聯(lián)系。核子環(huán)的自轉(zhuǎn)是環(huán)上所有核子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)有矢量和，即單粒子運(yùn)動(dòng)必須服從或服務(wù)于統(tǒng)一的整體轉(zhuǎn)動(dòng)，這是綜合模所描述的——核子在核內(nèi)單粒子運(yùn)動(dòng)與集體運(yùn)動(dòng)相耦合。原子核作為一個(gè)微觀量子體系，核子環(huán)的集體轉(zhuǎn)動(dòng)并非像流體那樣作非旋轉(zhuǎn)動(dòng)，它的集體轉(zhuǎn)動(dòng)是指原子核勢(shì)場(chǎng)空間取向的變化。〔2〕

　　由于核子環(huán)整體向一定方向自轉(zhuǎn)（順時(shí)針或逆時(shí)針），質(zhì)子也都相應(yīng)做環(huán)系運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生環(huán)系電流，這樣就使原子核中顯示出質(zhì)子的正電移動(dòng)性——質(zhì)子流。因此，它們的統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了相同的磁場(chǎng)，這樣核環(huán)就有了較固定的旋軸線——核軸線（沿磁極方向，就象地磁線一樣）。中子也同樣產(chǎn)生中子流，中子流與質(zhì)子流，它們占據(jù)著各自的量子軌道（能級(jí)），雖然通過核子——核子相互作用，不斷地交換著能量、動(dòng)量和角動(dòng)量，但它們大體上保持著相對(duì)的獨(dú)立性，即從總體上看，它們近似地保持著原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這正是獨(dú)立粒子模型，即殼模型所描述的。核子的高能級(jí)軌道是與軸線垂直的核的腰部，核子的低能級(jí)軌道是軸線附近的核的端部。這樣，核內(nèi)核子表現(xiàn)出兩重性——粒子空穴性，核內(nèi)核子的填充狀態(tài)是一種軌道運(yùn)動(dòng)的幾率分布，不再以費(fèi)米面作為占據(jù)或空缺的自然分界線，這是引入準(zhǔn)粒子時(shí)所描述的。而核子環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的相對(duì)薄的表面及核子環(huán)的變形使核物質(zhì)有低的可壓縮性，正是液滴模型的兩個(gè)基本假設(shè)。〔3〕

　　核子環(huán)上的核子大體上可看成是在同一個(gè)平面上，圓面的轉(zhuǎn)動(dòng)形成了旋轉(zhuǎn)球體的原子核。核環(huán)上的核子時(shí)時(shí)刻刻都在平衡形狀附近做或強(qiáng)或弱的形狀振動(dòng)，這種振動(dòng)從外觀上看是原子核體積不怎么變化的表面振動(dòng)。如果因個(gè)別核子的'動(dòng)能（破壞核環(huán)形狀的）太大，迫使核環(huán)發(fā)生形變，離開原來的平衡形狀，成為橢圓環(huán)，它們?cè)谵D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就成為橢球體，這樣就形成了某些原子核電荷分布的非球?qū)ΨQ，而是具有旋轉(zhuǎn)橢圓球的對(duì)稱性。正是由于核子繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)形成的對(duì)稱性，使核子在軌道上運(yùn)動(dòng)具有如下特點(diǎn)：在同一能級(jí)的軌道上，可能運(yùn)動(dòng)著核子環(huán)上對(duì)應(yīng)著的一對(duì)質(zhì)子或一對(duì)中子。也就是說，在同一量子軌道上運(yùn)動(dòng)著一對(duì)核子。

　　四、原子核的穩(wěn)定性

　　在原子核中，質(zhì)子與中子的有機(jī)組合構(gòu)成了原子核真實(shí)的直觀結(jié)構(gòu)。在核環(huán)上有多少個(gè)核子，就應(yīng)有多少個(gè)核鍵，如12C核環(huán)上有12個(gè)核鍵，13C則有13個(gè)核鍵。這些核鍵是一個(gè)統(tǒng)一的整體，破壞一個(gè)原子核，必須給予其核子環(huán)上應(yīng)有的若干個(gè)核鍵的總能量——總結(jié)合能E總。

　　一些穩(wěn)定的原子核（包括基態(tài)核）的平面直觀結(jié)構(gòu)（可能的軸線）如下圖所示：

　　HeLiLiBe

　　同它們結(jié)構(gòu)相似的又如12C、13C、14N、15N、16O、17O、20Ne、23Na、32S、40Ca等等。

　　一般情況下，原子核最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是中子與質(zhì)子均勻相間排列的核子環(huán)，且N=Z。它們是“具有高度的中子-質(zhì)子對(duì)稱性的球形自軛核”，它們的核環(huán)上任一核子都達(dá)到了完全飽和鍵態(tài)，中子與質(zhì)子結(jié)合得很緊密，電荷分布為球?qū)ΨQ，如奇奇核14N和偶偶核16O等。在這樣的核環(huán)上加入（或去掉）一個(gè)或幾個(gè)中子成鍵，在核環(huán)一處或幾處出現(xiàn)了剩余相互作用，即相同核子間出現(xiàn)了不飽和核力，核圓環(huán)可能因此變形為橢圓環(huán)，從而形成了近球形核。以上正是平均場(chǎng)理論所描述的。〔4〕

　　對(duì)于中子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)較多的中等核及重核，它們的核環(huán)上可每相隔兩個(gè)中子再排列一個(gè)質(zhì)子，形成的核也是穩(wěn)定的，即Z≤N≤2Z。但核環(huán)上最多一處可排列三個(gè)相連的中子，如果中間的那個(gè)中子不穩(wěn)定，具有很大的動(dòng)能（使核環(huán)發(fā)生形變的，而非轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能）。核環(huán)為阻止自身的形變，在核的表面張力作用下，會(huì)迫使其發(fā)生β-衰變，使其衰變成質(zhì)子，然后與兩側(cè)的中子恰形成飽和核鍵而達(dá)到穩(wěn)定。或者，此中子雖無大的形變動(dòng)能，但受到核環(huán)上強(qiáng)大的表面張力的壓迫、沖擊，達(dá)到弱作用范圍，也會(huì)發(fā)生β-衰變，這就是重核的β-衰變。

　　在飽和的核環(huán)一處去掉一個(gè)中子（可加入一個(gè)質(zhì)子），會(huì)使兩個(gè)質(zhì)子直接作用，達(dá)到了弱作用范圍，其中的一個(gè)質(zhì)子會(huì)發(fā)生β+衰變，衰變成一個(gè)質(zhì)量?jī)H次于質(zhì)子的中性新粒子——次中子，然后重新形成核鍵。但次中子是不穩(wěn)定的，它能吸收光子（γ→e+e），而轉(zhuǎn)變成中子，如發(fā)生β+衰變后的重核伴隨著正負(fù)電子對(duì)的吸收現(xiàn)象，就反映了次中子的這一特性。如果質(zhì)子不發(fā)生β+衰變，也可通過俘獲K電子使其中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子而重新形成穩(wěn)定的核鍵。可見，中子與質(zhì)了在原子核內(nèi)互相限制、彼此制約，并且中子在原子核內(nèi)的作用就是起到連接質(zhì)子的作用。當(dāng)中子數(shù)少于質(zhì)子數(shù)時(shí)，原子核就會(huì)不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生β+衰變或K俘獲。雖然核自由中子會(huì)發(fā)生β-衰變，但在原子核內(nèi)與質(zhì)子成鍵后的束縛中子不會(huì)發(fā)生ββ-衰變，這是飽和核力作用的結(jié)果。

　　當(dāng)核環(huán)上的中子與中子直接相連時(shí)，兩個(gè)中子成鍵均未飽和，出現(xiàn)剩余相互作用，可仍與外來的低能量的中子形成弱的核力，但不在弱作用范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生β-衰變。這個(gè)中子沒有能力加到核子環(huán)上去，而是在核環(huán)外圍形成很長(zhǎng)的核鍵，因量子運(yùn)動(dòng)而形成核的中子暈或核的中子皮，如11Li、11Be、14Be的中子暈及6He、8He的中子皮，這些具有中子暈的或中子皮的原子核是一種弱束縛態(tài)的密度不均勻的體系。﹝5﹞

　　對(duì)于重核，中子與中子直接連接處較多，剩余相互作用較大，在核內(nèi)起主導(dǎo)作用，當(dāng)核環(huán)變形為梭形時(shí)，在核的兩端尖部會(huì)引起α衰變，使核環(huán)向圓環(huán)狀恢復(fù)，這樣就會(huì)發(fā)射α粒子。核子環(huán)能夠變形，與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有關(guān)。在較低角動(dòng)量時(shí)，原子核形成一個(gè)中等形變的扁橢圓形狀，隨著角動(dòng)量的增加，原子核具有長(zhǎng)橢球形變或三軸形變。當(dāng)角動(dòng)量繼續(xù)增加時(shí)，核環(huán)將在剩余相互作用下發(fā)生裂變，此時(shí)剩余相互作用能克服質(zhì)子間的斥力及轉(zhuǎn)動(dòng)引起的離心力，使核子重新組合成兩個(gè)或多個(gè)子核環(huán)。以上是由原子核的轉(zhuǎn)動(dòng)液滴模型所描述的。﹝6﹞

　　千變?nèi)f化的核反應(yīng)，就是使核環(huán)上局部的核子間原來的核鍵被破壞，并重新形成更強(qiáng)的新核鍵的過程，同時(shí)通過發(fā)射粒子（或γ射線）進(jìn)行退激發(fā)，使新結(jié)合的核環(huán)向圓環(huán)狀恢復(fù)（斥力作用），這樣就產(chǎn)生了新的穩(wěn)定的核。在低能時(shí)，核反應(yīng)為熔合蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移和電荷交換反應(yīng)；高能時(shí)，核反應(yīng)為散裂、多重碎裂和裂變反應(yīng)。

　　五、結(jié)束語

　　真理往往就是那樣樸素，重要的是人們要善于發(fā)現(xiàn)它。我希望能有更多的人接受本文思想精華，再付諸于實(shí)踐，我相信對(duì)核物理的發(fā)展將帶為質(zhì)的飛躍！

　　附參考文獻(xiàn)

　　1～6丁大釗、陳永壽、張煥喬原子核物理進(jìn)展

　　上海：科學(xué)技術(shù)出版社1997，559

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