[科普中國]-原子核

簡介

原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分,占了99.96%以上原子的質(zhì)量,與周圍圍繞的電子組成原子。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。而質(zhì)子又是由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子是則由兩個下夸克和一個上夸克組成。原子核極小,它的直徑在10-12至10-13公分之間,體積只占原子體積的幾千億分之一,如果將原子比作地球,那么原子核相當(dāng)于棒球場大小,而核內(nèi)的夸克及電子只相當(dāng)于棒球大小。原子核的密度極大,約為1014克/立方公分,原子核內(nèi)有核殼層結(jié)構(gòu),稱為幻核。1

構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子之間存在介子,以傳遞原子核內(nèi)巨大的吸引力-強(qiáng)力,強(qiáng)力比電磁力強(qiáng)137倍,故能克服質(zhì)子之間所帶正電荷的電磁斥力而結(jié)合成原子核。原子核的能量極大,當(dāng)原子核發(fā)生裂變(重原子核分裂為兩個或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時結(jié)合成為重核)時,會釋放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能發(fā)電)。質(zhì)子和中子及介子由價夸克(組分夸克)及誨夸克(流夸克)組成,夸克亦有層層(殼)結(jié)構(gòu),外層為橫向連接的價夸克,內(nèi)層為縱向疊加的誨夸克,而外層為3個橫向連接的束縛態(tài)價夸克。價夸克按比例(2個上型夸克帯+2/3電荷,1個下型夸克帯-1/3電荷)分掉質(zhì)子(或3夸克超子)內(nèi)的整數(shù)電荷,故夸克帶分?jǐn)?shù)電荷?？v向疊加的誨夸克正負(fù)電荷相抵=零,原子內(nèi)帶正電荷的質(zhì)子與帶負(fù)電荷的電子數(shù)量相同,故整個原子呈電中性。1

本質(zhì)1912年英國科學(xué)家盧瑟福根據(jù)α粒子轟擊金箔的實(shí)驗中，絕大多數(shù)α粒子仍沿原方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子由于撞擊到了電子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，個別α粒子偏轉(zhuǎn)超過了90°，有的α粒子由于撞上原子核所以偏轉(zhuǎn)方向甚至接近180°。該試驗事實(shí)確認(rèn)了：原子內(nèi)含有一個體積小而質(zhì)量大的帶正電的中心，這就是原子核模型的來歷。2

相互作用核子之間的核力，是一種比電磁作用大得多的相互作用。原子半徑很小，質(zhì)子間庫侖斥力很大，但原子核卻很穩(wěn)定。所以原子核里質(zhì)子間的除了庫侖斥力外還有核力。只有在2.0×10-15m的短距離內(nèi)才能起到作用。

質(zhì)子和質(zhì)子之間、質(zhì)子和中子之間、中子和中子之間都存在。2

電荷盧瑟福實(shí)驗盧瑟福用一束α射線轟擊金屬薄膜，發(fā)現(xiàn)有少部分α粒子大角度改變運(yùn)動方向，并在此基礎(chǔ)上提出了行星式原子結(jié)構(gòu)模型：原子中存在一個帶正電的核心，即原子核。3

盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實(shí)驗，實(shí)驗的目的是想證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)驗結(jié)果卻成了否定湯姆遜原子模型的有力證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。

為了要考察原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，必須尋找一種能射到原子內(nèi)部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質(zhì)中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進(jìn)行實(shí)驗，如圖是這個實(shí)驗裝置的示意圖。

在一個鉛盒里放有少量的放射性元素釙（Po），它發(fā)出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細(xì)的射線射到金箔上。當(dāng)α粒子穿過金箔后，射到熒光屏上產(chǎn)生一個個的閃光點(diǎn)，這些閃光點(diǎn)可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗結(jié)果，整個裝置放在一個抽成真空的容器內(nèi)，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。

實(shí)驗結(jié)論原子是電中性的，核帶有的正電荷等于核外電子的總負(fù)電荷。對原子序數(shù)為Z的原子，核帶正電+Ze。核的電荷數(shù)是一個嚴(yán)格的整數(shù)，它等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。質(zhì)子帶正電+e，與電子的電量相等。3

理論進(jìn)展研究歷程核物理研究一開始，就面臨著一個重要的問題，這就是核子間相互作用的性質(zhì)。人們注意到，大多數(shù)原子核是穩(wěn)定的，而通過對不穩(wěn)定原子核的γ衰變、β衰變和α衰變的研究發(fā)現(xiàn)，原子核的核子之間必然存在著比電磁作用強(qiáng)得多的短程、且具有飽和性的吸引力。此外，大量實(shí)驗還證明，質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)子-中子、中子-中子之間的相互作用，除了電磁力不同外，其它完全相同，這就是核力的電荷無關(guān)性。1935年，湯川秀樹（YukawaHideki 1907～1981）提出，核子間相互作用是通過交換一種沒有質(zhì)量的介子實(shí)現(xiàn)的。1947年，π介子被發(fā)現(xiàn)，其性質(zhì)恰好符合湯川的理論預(yù)言。

介子交換理論認(rèn)為，單個π介子交換產(chǎn)生核子間的長程吸引作用（≥3×10-13cm），雙π介子交換產(chǎn)生飽和中程吸引作用[（1～3）×10-13cm]，而ρ、ω分子交換產(chǎn)生短程排斥作用（50MeV時，純核子自由度的計算與實(shí)驗結(jié)果的偏離明顯地加大，只有考慮了π介子自由度以后，才與實(shí)驗結(jié)果一致。這一實(shí)驗不僅證明了核內(nèi)π介子的存在，而且還說明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表現(xiàn)出來。另一個證明π介子自由度的是利用電子散射對3He形狀因子的研究實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明，在電子與核的動量轉(zhuǎn)移過程中，越接近核中心區(qū)域，動量交換值越大，核中心區(qū)域是高動量轉(zhuǎn)移區(qū)，核的邊緣為低動量轉(zhuǎn)移區(qū)，而只有在低動量轉(zhuǎn)移區(qū)，純核子自由度理論才與實(shí)驗結(jié)果符合，在高動量轉(zhuǎn)移的中心區(qū)，必須計入π介子及Δ自由度的影響，才能與實(shí)驗符合。這個實(shí)驗不僅證明了核內(nèi)π介子自由度的存在，而且進(jìn)一步指出，在原子核的中心區(qū)域，非核子自由度問題的重要性更為突出。2

夸克自由度從40年代末到50年代初，隨著世界上各大型加速器的投入運(yùn)行，粒子物理逐漸從核物理中分化了出來。上世紀(jì)60年代以后，粒子物理取得了一系列令人矚目的進(jìn)展。例如，在70年代初，格拉肖、薩拉姆和溫伯格將弱、電相互作用統(tǒng)一在SU（2）×U（1）對稱群的規(guī)范理論之中，并從多方面得到了實(shí)驗上的直接和間接的證實(shí)。粒子物理的另一個著名成就是夸克模型和量子色動力學(xué)的建立。根據(jù)微觀世界中的對稱性，不僅可以對強(qiáng)子進(jìn)行分類，而且還對強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識提供了有效的途徑。低能強(qiáng)子按SU（3）對稱群分類，這些強(qiáng)子的基本構(gòu)件，也是SU（3）對稱群的基礎(chǔ)就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克。為使強(qiáng)子滿足自然界普遍遵守的自旋與統(tǒng)計性關(guān)系，每種夸克還有3種不同的色，色相互作用是強(qiáng)相互作用的起源，而傳遞色相互作用的8個媒介子就稱為膠子。實(shí)質(zhì)上，強(qiáng)相互作用理論即為SU（3）色對稱群的規(guī)范理論，稱為量子色動力學(xué)（QCD）。根據(jù)夸克模型，原子核的核子應(yīng)由3個價夸克以及稱為?？淇说奶摽淇?反夸克對膠子組成，而傳遞核子相互作用的介子應(yīng)由價夸克、價反夸克和?？淇?、膠子組成。這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新觀點(diǎn)啟發(fā)人們思索，核內(nèi)的核子處于核的“環(huán)境”之中，它們到底與自由核子有什么區(qū)別？核“環(huán)境”對核子有什么影響？核內(nèi)的夸克和膠子的分布如何？它們都參與什么作用？……這一系列問題都將與核內(nèi)夸克自由度等的非核子自由度有關(guān)，這些問題已成為當(dāng)今核物理發(fā)展的關(guān)鍵。

還不能嚴(yán)格地用量子色動力學(xué)描述原子核這樣的多夸克系統(tǒng)，考慮到可能存在夸克自由度，有人提出了一個更為大膽的簡化核模型。這一模型從夸克和它們之間的相互作用力出發(fā)，采用類似傳統(tǒng)的獨(dú)立粒子殼層模型的方法來解釋原子核的各種性質(zhì)。在考慮夸克間相互作用時，這一模型假定存在有“對力”，而不考慮夸克的禁閉性質(zhì)。根據(jù)這一模型，夸克的色自由度使每個殼層上容許的夸克數(shù)恰好與傳統(tǒng)殼層模型每個殼層上的核子數(shù)相同，這使人們想到，在原子核內(nèi)的夸克存在有自由度，它們可能不像在自由核子中那樣禁閉，那么原子核內(nèi)的夸克究竟有多大的幾率跑出核內(nèi)的核子之外？原子核內(nèi)的夸克自由度能否表現(xiàn)出來？在對這些關(guān)鍵問題的研究中，核物理與粒子物理兩大學(xué)科又重新走到一起，而趨于匯合之中。2

EMC效應(yīng)傳統(tǒng)的原子核的質(zhì)子-中子模型在描述低能核現(xiàn)象時都十分成功，這表明，要發(fā)現(xiàn)核內(nèi)的夸克效應(yīng)或其它非核子自由度應(yīng)該到高能核現(xiàn)象中去尋找。此外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，原子核是由若干核子、介子組合的集合系統(tǒng)，而核子、介子又都是通過膠子相互作用的夸克系統(tǒng)，核子在核內(nèi)不停地運(yùn)動，又會由于核子間的重疊形成夸克集團(tuán)，這樣一來，核內(nèi)核子的性質(zhì)，如大小、質(zhì)量等，一定與自由核子不同，例如會稍微膨脹而變“胖”和有效質(zhì)量變小等。此外，禁閉在核內(nèi)核子中的夸克密度分布也會與自由核子的不同。這些都是由于夸克自由度帶來的影響，稱之為夸克效應(yīng)。

尋求核內(nèi)夸克效應(yīng)的最直接和有效的方法就是用“探針”探測。這種“探針”就是能量極高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波長越短，分辨核內(nèi)微小尺度的能力越強(qiáng)。此外，最好采用電子和μ子等非強(qiáng)子作探針，以避免強(qiáng)相互作用干擾，因為對強(qiáng)相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對于實(shí)驗的結(jié)果，有人預(yù)計，當(dāng)用能量高達(dá)幾個京電子伏的高能輕子打入核內(nèi)時，它們與核內(nèi)夸克相互作用而散射，通過對散射粒子的能量、動量和散射角分布的測量，探知核內(nèi)夸克的動量分布，即核子的結(jié)構(gòu)函數(shù)。而另一些人則認(rèn)為，原子核只是一個質(zhì)子-中子構(gòu)成的弱束縛體系，對于高達(dá)幾個京電子伏的高能過程，這種弱的束縛不會起什么作用，核的“環(huán)境”影響不能顯示出來，在自由核子靶上以及在原子核內(nèi)核子靶上，測量這種結(jié)構(gòu)常數(shù)不會顯示什么差異。然而實(shí)驗的結(jié)果，卻大大出乎后一些人的預(yù)料。

1982年，在歐洲粒子物理研究中心，由來自17個國家和地區(qū)的89位高能物理學(xué)家，組成了歐洲μ子實(shí)驗合作組（EMC組），進(jìn)行了帶電輕子深度非彈性散射實(shí)驗。他們使用的高能輕子為電子、μ子和中微子，輕子與核子間傳遞的能量高達(dá)幾個到幾十個GeV，這一實(shí)驗結(jié)果發(fā)表在《物理通訊》雜志上。實(shí)驗得到了鐵原子核結(jié)構(gòu)函數(shù)與氘核結(jié)構(gòu)函數(shù)的比值，發(fā)現(xiàn)這一比值是夸克動量與核子平均動量比值x的函數(shù)，當(dāng)x在一定的范圍（布約肯區(qū)）內(nèi)時，這個比值為0.05～0.8，且呈一定規(guī)律隨x變化。這個結(jié)果很重要，因為如果認(rèn)為核內(nèi)的核子仍保持自由核子的性質(zhì)，這個比值應(yīng)為1，比值偏離1的實(shí)驗結(jié)果表明，原子核內(nèi)的核子包含了較多的低能夸克。盡管核子在核內(nèi)的束縛很弱，周圍核物質(zhì)的存在依然明顯地影響到束縛在核內(nèi)夸克的動量分布。面對這一實(shí)驗事實(shí)，人們不得不改變原來的看法，這一結(jié)果由此得名為“EMC效應(yīng)”。隨后，EMC效應(yīng)陸續(xù)被美國斯坦福直線加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個大加速器的實(shí)驗證實(shí)。

EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了世界性的轟動，這不是偶然的。它像科學(xué)史上許多其它重要發(fā)現(xiàn)一樣，不是“先驗的理論”，而是實(shí)驗事實(shí)強(qiáng)迫人們?nèi)ソ邮芤环N新的觀念，這就是原子核內(nèi)核子的亞結(jié)構(gòu)與一般自由核子的亞結(jié)構(gòu)有明顯的不同。這里值得提起一個反面的例子，如果人們不是被一些“先驗的理論”所束縛，本該更提早十幾年發(fā)現(xiàn)EMC效應(yīng)。在70年代初，在斯坦福直線加速器實(shí)驗室（SLAC）就有一個用高能電子測量核子結(jié)構(gòu)函數(shù)的研究組。他們以液氫與液氘為靶，得到了核中質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)函數(shù)。因為用來盛液氫、液氘的容器是鋼和鋁的，為消除本底的影響，他們又進(jìn)行了容器的空靶測量，這樣就掌握了鋼和鋁靶的結(jié)構(gòu)函數(shù)，卻不曾想到與自由核子的結(jié)果相比較。EMC效應(yīng)的結(jié)果發(fā)表以后，他們把十幾年前依然保存完好的數(shù)據(jù)重新計算分析，他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學(xué)’的研究”。其結(jié)果確實(shí)充滿戲劇性，兩次研究一前一后時隔十幾年，對不同的探測粒子、不同能區(qū)做了測量，竟然得出完全一致的結(jié)果。這一事實(shí)不僅再一次令人信服地證實(shí)了EMC效應(yīng)的存在，還使人們冷靜地看到，SLAC小組先于十幾年得到實(shí)驗的全部數(shù)據(jù)，卻未能成為EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)人，這不能不說明，對于那些已被廣泛接受卻未經(jīng)實(shí)驗事實(shí)證實(shí)的“先驗理論”，確有必要重新檢驗。1988年，EMC組又在極小的布約肯區(qū)（0.003≤x≤0.2）對不同的核（12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn）進(jìn)行了測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0≤x