1.从独立粒子核壳层模型到原子核集体模型.docx

从独立粒子核壳层模型到原子核集体模型

一个亘古不变、极具魅力的话题：自从人类有了思维，人们就开始不停地追问“我们的世界究竟由什么组成？”古希腊哲学家泰勒斯提出：水是万物的始基；赫拉克利特认为：火是万物的本原；德谟克利特则宣称：世界万物都是由不可分割的颗粒(原子)和虚空所组成.我国古代的“五行说”认为，宇宙万物皆由金、木、水、火、土构成；“元气说”则认为，客观的元气是构成宇宙万物的本原.

粒子物理学中的“标准模型”理论，经受了相当成功的实验检验，被认为是迄今为止最有效的一个唯象理论，但是这个理论仍然存在着许多基本的疑难问题有待解决.诸如希格斯粒子的存在和本质，粒子质量的来源，夸克和轻子更深层次的特征标度，标准模型更深层次上的基本规律等，都是今后主要的研究领域.寻找超出标准模型的新理论，将成为高能物理近期探索的一个重要任务

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（YukawaHideki1907～1981）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（＜1×10^-13cm），π介子的自旋为零，称为标量介子，ρ、ω介子的自旋为1，称为矢量介子，它们的静止质量不为零，这确保了核力的短程性，而矢量介子的非标量性又保证了核力的自旋相关性.核力性质及核组成成分的研究，为进一步揭示原子核的结构创造了条件.

在早期的原子核模型中，较有影响的有玻尔的液滴模型、费密气体模型、巴特勒特和埃尔萨斯的独立粒子模型以及迈耶和詹森的独立粒子核壳层模型.其中最成功的是独立粒子核壳层模型.

在1948～1949年间，迈耶（Mayer，MariaGoeppert1906～1972）通过分析各种实验数据，重新确定了一组幻数，即2、8、20、28、50和82.确定这些幻数的根据是：①原子核是这些幻数的化学元素相对丰度较大；②幻核的快中子和热中子的截面特别小；③幻核的电四极矩特别小；④裂变产物主要是幻核附近的原子核；⑤原子的结合能在幻核附近发生突变；⑥幻核相对α衰变特别稳定；⑦β衰变所释放的能量在幻核附近发生突变.在费密的启发下，迈耶在平均场中引入强的自旋-轨道耦合力，利用该力引起的能级分裂成功地解释了全部幻数的存在.接着，詹森（Jensen，JohannesHansDaniel1907～1973）也独立地得到了相同的结果.在迈耶与詹森合著的《原子核壳层基本原理》一书中，他们利用核壳层模型成功地解释了原子核的幻数、自旋、宇称、磁矩、β衰变和同质异能素岛等实验事实.由于原子核壳层结构模型所获得的成功，及其在核物理研究中的重要作用，迈耶和詹森共同获得1963年诺贝尔物理学奖.

核壳层模型是在大量的关于核性质、核谱以及核反应实验数据综合分析的基础上提出的，它对原子核内部核子的运动给出了较清晰的物理图象.这一模型的核心是平均场思想.它认为，就像电子在原子中的平均场中运动一样，在原子核内，每个核子也近似地在其它核子的平均场中做独立的运动，因此原子核也应具有壳层结构，通常把这一模型称为独立粒子核壳层模型.

平均场的思想使核壳层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，因为核子之间的相互作用不可能完全由平均场作用代替.除了平均场以外，核子之间还有剩余相互作用.随着核物理研究的发展，在50年代以后，陆续发现一些新的实验事实，如大的电四极矩、磁矩、电磁跃迁几率、核激发能谱的振动谱、转动谱以及重偶偶核能谱中的能隙等，它们都不能用独立粒子的核壳层模型解释.

1953年，丹麦物理学家、著名物理学家N.玻尔之子阿·玻尔（Bohr，AageNiels1922～）与他的助手莫特森（Mottelson，BenRoy1926～）及雷恩沃特（Rainwater，LeoJames1917～）共同提出了关于原子核的集体模型.这一模型认为，除平均场外，核子间还有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之间关联，这种关联是对独立粒子运动的一种补充，其中短程关联引起核子配对.描述这种关联的核子对模型已经得到大量的实验支持.核子间的长程关联将使核变形，并产生集体运动，原子核转动和振动能谱就是这种集体运动的结果，而重核的裂变以及重离子的熔合反应又是原子核大变形引起的集体运动的结果.原子核的集体模型认为，每个核子在核内除了相对其它核子运动外，原子核的整体还发生振动与转动，处于不同运动状态的核，不仅有自己特定的形状，还具有不同的能量和角动量，这些能量与角动量都是分立的，因而形成能级.正因如此，与只适用于球形核的独立粒子壳层模型相比，原子核的集体模型有了很大的发展.用它可以计算核液滴的各种形状对应的能量和角动量.此外，当核由高能级向低能级跃迁时，能量通常还能以γ射线的形式释放出来，这一特征正与大量处于稳定线附近的核行为相符.此外，根据这一模型，当核形状固定时，转动惯量不变，随着角动量加大，核形状变化，转动惯量相应改变，导致转动能级变化，因此，这一模型对变形核转动能级的跃迁规律的研究，已成为研究奇异核的基础.原子核集体模型解决了独立粒子核壳层模型的困难，成功地解决了球形核的振动、变形核的转动和大四极矩等实验事实，为原子核理论的发展作出重要的贡献，为此，阿·玻尔、莫特森与雷恩沃特共同获得了1975年诺贝尔物理学奖.

以研究复杂多体系统为主的凝聚态物理学，是当代物理学中内容最丰富、应用最广泛的一门分支学科；也是当前物理学研究中最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域.这一领域的一系列发现，已经并正在对其他学科（包括化学、生物学、数学等）产生了重大影响；并通过它所诱发的高新技术进展，对人类生活产生了巨大影响.凝聚态物理前沿研究此起彼伏，发展迅速，使人目不暇接.它的发展大趋势将是现有分支领域强化研究，又不断开拓出新的领域，制备出更多更高性能的新材料，发现令人意想不到的新现象.超导电性物理、晶体学、磁学、表面物理、固态发光物理、液态物理、生命现象中的物理问题、极端条件下的物理等研究内容，成为当前凝聚态物理学广阔的前沿领域.其中低维凝聚态物理与以发现新的有序相、有序相的对称破缺、以及这些新相的物理性能为主要目标的研究工作，更是这一学科中最具活力的重要发展前沿.在今后十多年，可以期望凝聚态物理的研究取得新的重大发现和进展.等离子体物理是物理学中一个年轻的分支学科.等离子体物理的研究已经成为人类认识宇宙、控制地球环境变化、以及最终解决能源问题的基础和保证，同时它还开辟了很多新技术与新应用的发展途径.热核聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体和技术与高技术等离子体的研究，愈来愈受到重视.原子分子物理是微观世界的第一个层次，它的基础性强，应用面广，其发展直接或间接地推动了电子学和电子产业、光电子学和激光产业的诞生和发展，还形成了量子化学、分子反应动力学、分子生物学和分子天文学等一批交叉学科.原子分子激发态结构和动力学理论的研究，是当前原子分子物理学中最活跃的领域.这一学科的发展，在推动科学技术发展、社会进步和提高国防能力方面，将发挥重要作用.