原子核結構的研討論文

　　論文摘要

　　從根本上解決核力問題,進而得到一個自然界的普遍規(guī)律,即原子核是由質(zhì)子與中子較均勻地相間排列,然后首尾相連而構成的核子環(huán),圍繞其自身的軸線高速轉動而形成的殼層結構的帶電液滴球核。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微觀量子多體系的直觀結構圖象----核子環(huán)。

　　關鍵詞：核鍵核子環(huán)次中子

　　原子核的直觀結構(I)

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

　　目前，對原子核的結構及其運動規(guī)律的了解是“多側面”的：它既具有“獨立”核子在由其它核子構成的平均場中運動的性質(zhì)，而又突出地具有核子間有強耦合的集體運動性質(zhì)；它既是一個由核子構成的非相對論量子多體體系，而又反映介子、重子乃至夸克自由度的復雜介質(zhì)；它既是一個有一定量子數(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，各式各樣的核結構型雖在一定程度上從某些側面成功描寫了原子核結構所表現(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)绾尾拍苡煤唵巍�單一的描述來說明原子核這個體系的性質(zhì)及其運動規(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，原子核的真實直觀結構是怎樣的，這是從根本上解決核力問題的關鍵。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)部結構的粒子，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，但存在與速度相關的力），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)，鍵長也是變化的，一般中子與質(zhì)子之間形成的核鍵的鍵長較短，中子與中子、質(zhì)子與質(zhì)子之間形成的鍵長較長。在原子核內(nèi)，具有最短鍵長的核鍵的單個鍵能即為核子平均結合能。（8-8.5Mｅｖ）。一般成鍵后的不同核子不能互相轉化。

　　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。一個質(zhì)子最多只能同兩個直接與之接觸的中子成鍵，而質(zhì)子成鍵達完全飽和鍵態(tài)，即

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

　　二、原子核的直觀結構

　　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，然后首尾相連而構成的核子環(huán)，圍繞其自身的軸線高速轉動而形成的殼層結構的帶電液滴球核。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)轉動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，這種強力使核子一個拉著一個，使核收縮，從而產(chǎn)生核的表面張力，但核的表面張力遠大于質(zhì)子間的斥力，之所以能維持平衡，是因為核力具有飽和性的緣故。另外，因核的轉動使核子產(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構的相對穩(wěn)定存在。

　　在核子環(huán)上，每個核子只與它兩側的核子有核力作用，形成兩個核鍵達飽和，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，使原子核這個多體體系的性質(zhì)從復雜歸于簡單、單一，核子環(huán)成為環(huán)上任一核子運動的平均場。

　　三、原子核的運動形式

　　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)的自轉是環(huán)上所有核子獨立運動有矢量和，即單粒子運動必須服從或服務于統(tǒng)一的整體轉動，這是綜合模所描述的——核子在核內(nèi)單粒子運動與集體運動相耦合。原子核作為一個微觀量子體系，核子環(huán)的集體轉動并非像流體那樣作非旋轉動，它的集體轉動是指原子核勢場空間取向的變化。〔2〕

　　由于核子環(huán)整體向一定方向自轉（順時針或逆時針），質(zhì)子也都相應做環(huán)系運動，從而產(chǎn)生環(huán)系電流，這樣就使原子核中顯示出質(zhì)子的正電移動性——質(zhì)子流。因此，它們的統(tǒng)一運動產(chǎn)生了相同的磁場，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），雖然通過核子——核子相互作用，不斷地交換著能量、動量和角動量，但它們大體上保持著相對的獨立性，即從總體上看，它們近似地保持著原來的運動狀態(tài)，這正是獨立粒子模型，即殼模型所描述的。核子的高能級軌道是與軸線垂直的核的腰部，核子的低能級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)是一種軌道運動的幾率分布，不再以費米面作為占據(jù)或空缺的自然分界線，這是引入準粒子時所描述的。而核子環(huán)轉動所形成的相對薄的表面及核子環(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基本假設。〔3〕

　　核子環(huán)上的核子大體上可看成是在同一個平面上，圓面的轉動形成了旋轉球體的原子核。核環(huán)上的核子時時刻刻都在平衡形狀附近做或強或弱的形狀振動，這種振動從外觀上看是原子核體積不怎么變化的表面振動。如果因個別核子的'動能（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)，它們在轉動時就成為橢球體，這樣就形成了某些原子核電荷分布的非球對稱，而是具有旋轉橢圓球的對稱性。正是由于核子繞軸線轉動形成的對稱性，使核子在軌道上運動具有如下特點：在同一能級的軌道上，可能運動著核子環(huán)上對應著的一對質(zhì)子或一對中子。也就是說，在同一量子軌道上運動著一對核子。

　　四、原子核的穩(wěn)定性

　　在原子核中，質(zhì)子與中子的有機組合構成了原子核真實的直觀結構。在核環(huán)上有多少個核子，就應有多少個核鍵，如12C核環(huán)上有12個核鍵，13C則有13個核鍵。這些核鍵是一個統(tǒng)一的整體，破壞一個原子核，必須給予其核子環(huán)上應有的若干個核鍵的總能量——總結合能E總。

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

　　HeLiLiBe

　　同它們結構相似的又如12C、13C、14N、15N、16O、17O、20Ne、23Na、32S、40Ca等等。

　　一般情況下，原子核最穩(wěn)定的結構是中子與質(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)子對稱性的球形自軛核”，它們的核環(huán)上任一核子都達到了完全飽和鍵態(tài)，中子與質(zhì)子結合得很緊密，電荷分布為球對稱，如奇奇核14N和偶偶核16O等。在這樣的核環(huán)上加入（或去掉）一個或幾個中子成鍵，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。以上正是平均場理論所描述的。〔4〕

　　對于中子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)較多的中等核及重核，它們的核環(huán)上可每相隔兩個中子再排列一個質(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相連的中子，如果中間的那個中子不穩(wěn)定，具有很大的動能（使核環(huán)發(fā)生形變的，而非轉動的動能）。核環(huán)為阻止自身的形變，在核的表面張力作用下，會迫使其發(fā)生β-衰變，使其衰變成質(zhì)子，然后與兩側的中子恰形成飽和核鍵而達到穩(wěn)定。或者，此中子雖無大的形變動能，但受到核環(huán)上強大的表面張力的壓迫、沖擊，達到弱作用范圍，也會發(fā)生β-衰變，這就是重核的β-衰變。

　　在飽和的核環(huán)一處去掉一個中子（可加入一個質(zhì)子），會使兩個質(zhì)子直接作用，達到了弱作用范圍，其中的一個質(zhì)子會發(fā)生β+衰變，衰變成一個質(zhì)量僅次于質(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），而轉變成中子，如發(fā)生β+衰變后的重核伴隨著正負電子對的吸收現(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電子使其中的一個質(zhì)子轉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。當中子數(shù)少于質(zhì)子數(shù)時，原子核就會不穩(wěn)定，會發(fā)生β+衰變或K俘獲。雖然核自由中子會發(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發(fā)生ββ-衰變，這是飽和核力作用的結果。

　　當核環(huán)上的中子與中子直接相連時，兩個中子成鍵均未飽和，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)，不會發(fā)生β-衰變。這個中子沒有能力加到核子環(huán)上去，而是在核環(huán)外圍形成很長的核鍵，因量子運動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)起主導作用，當核環(huán)變形為梭形時，在核的兩端尖部會引起α衰變，使核環(huán)向圓環(huán)狀恢復，這樣就會發(fā)射α粒子。核子環(huán)能夠變形，與轉動頻率有關。在較低角動量時，原子核形成一個中等形變的扁橢圓形狀，隨著角動量的增加，原子核具有長橢球形變或三軸形變。當角動量繼續(xù)增加時，核環(huán)將在剩余相互作用下發(fā)生裂變，此時剩余相互作用能克服質(zhì)子間的斥力及轉動引起的離心力，使核子重新組合成兩個或多個子核環(huán)。以上是由原子核的轉動液滴模型所描述的。﹝6﹞

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

　　五、結束語

　　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，再付諸于實踐，我相信對核物理的發(fā)展將帶為質(zhì)的飛躍！

　　附參考文獻

　　1～6丁大釗、陳永壽、張煥喬原子核物理進展

　　上海：科學技術出版社1997，559

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