本文摘要：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，并重新形成更強的新核鍵的過程，同時通過發(fā)射粒子(或射線)進行退激發(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，核反應(yīng)為熔合蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移和電荷交換反應(yīng);高
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(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，核反應(yīng)為熔合蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移和電荷交換反應(yīng);高能時，核反應(yīng)為散裂、多重碎裂和裂變反應(yīng)。
《物理學(xué)報》刊登物理學(xué)科各領(lǐng)域中原創(chuàng)性成果的前沿研究綜述、研究快訊及研究論文。該刊以論文水平高、創(chuàng)新性強，發(fā)表速度快的特點，受到國內(nèi)外物理學(xué)工作者的高度重視，被國際著名的SCI等17種核心檢索系統(tǒng)收錄。
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(gòu)成的核子環(huán),圍繞其自身的軸線高速轉(zhuǎn)動而形成的殼層結(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微觀量子多體系的直觀結(jié)構(gòu)圖象----核子環(huán)。原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律的了解是“多側(cè)面”的：它既具有“獨立”核子在由其它核子構(gòu)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(gòu)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(fù)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(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)绾尾拍苡煤唵�、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(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(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定存在。
在核子環(huán)上，每個核子只與它兩側(cè)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(fù)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(zhuǎn)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(wù)于統(tǒng)一的整體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動并非像流體那樣作非旋轉(zhuǎn)動，它的集體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)(順時針或逆時針)，質(zhì)子也都相應(yīng)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(zhǔn)粒子時所描述的。而核子環(huán)轉(zhuǎn)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(shè)�！�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(zhuǎn)動形成了旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?qū)ΨQ，而是具有旋轉(zhuǎn)橢圓球的對稱性。正是由于核子繞軸線轉(zhuǎn)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(yīng)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(gòu)成了原子核真實的直觀結(jié)構(gòu)。在核環(huán)上有多少個核子，就應(yīng)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(yīng)有的若干個核鍵的總能量——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：
He Li Li Be
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(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(zhuǎn)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(cè)的中子恰形成飽和核鍵而達到穩(wěn)定�；蛘撸酥凶与m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(zhuǎn)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(zhuǎn)變成中子而重新形成穩(wěn)定的核鍵�？梢�，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，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(jié)果。
當(dāng)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(dǎo)作用，當(dāng)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(fù)，這樣就會發(fā)射α粒子。核子環(huán)能夠變形，與轉(zhuǎn)動頻率有關(guān)。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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動液滴模型所描述的。﹝6﹞
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，再付諸于實踐，我相信對核物理的發(fā)展將帶為質(zhì)的飛躍!
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