原子核結構的研討論文

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律,即原子核是由質子與中子較均勻地相間排列,然後首尾相連而構成的核子環,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。核子環的成環張力是由核環上所有質子相互推斥提供的，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。

　　關鍵詞：核鍵核子環次中子

　　原子核的直觀結構(I)

　　原子核是物質結構的一個層次，它介於原子與粒子之間，是由質子與中子（統稱核子）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的質子與中子依靠一種短程的強相互作用力來維繫的。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律的瞭解是“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，而又突出地具有核子間有強耦合的集體運動性質；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複雜介質；它既是一個有一定量子數的有序物質狀態，而又表現出明顯的統計性及在一定條件下具有量子混沌的行為，由於核力問題並沒有根本解決，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出的豐富多彩的多樣性，但也都有各自的問題、困難和侷限性。〔1〕

　　因此，我們如何才能用簡單、單一的描述來說明原子核這個體系的性質及其運動規律呢？如何使各種核模型統一起來呢？也就是說，各種核子究竟是按一種什麼樣的規律組合在一起的，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

　　由於核子是有內部結構的粒子，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（近似地說是靜態的，與核子速度無關，但存在與速度相關的力），統稱為核鍵，即核子間透過傳遞、交換兀介子而相互成鍵（兀介子的靜止能量比核核心子的動能大得多），從而出現了兀介子云的疊，就像電子雲的重疊那樣。這是一種短程吸引力，作用範圍小於是10-15米，既使在這麼小的範圍內，鍵長也是變化的，一般中子與質子之間形成的核鍵的鍵長較短，中子與中子、質子與質子之間形成的鍵長較長。在原子核內，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）。一般成鍵後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後，同其它核子無核力作用。一個質子最多隻能同兩個直接與之接觸的中子成鍵，而質子成鍵達完全飽和鍵態，即

　　H，空間平面直觀結構可能為“⊙⊕⊙”（⊙-中子，⊕-質子）。而一箇中子最多也只能同兩個直接與之接觸的質子成鍵達完全飽和鍵態，即He，空間平面直觀結構為“⊕⊙⊕”。中子（質子）之間成鍵不具飽和性，一箇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，那麼它們是怎樣組成穩定的原子核的呢？原來，原子核並不是那種單純的“核”，而是由質子和中子較均勻地相間排列成鍵，然後首尾相連而構成的核子環，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。由於核子都集中在核子環上，因此核內是空心的，即原子核具有空虛的質心。核環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。核環的成環張力是由核子環上所有質子相互推斥提供的。這樣，原子核外觀表現為質子間的較大庫侖斥力，使核環伸張，內觀則表現為核子間的核力，這種強力使核子一個拉著一個，使核收縮，從而產生核的表面張力，但核的表面張力遠大於質子間的斥力，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生離心力。原子核內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定存在。

　　在核子環上，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的飽和性，正由於這種飽和性，使原子核這個多體體系的性質從複雜歸於簡單、單一，核子環成為環上任一核子運動的平均場。

　　三、原子核的運動形式

　　原子核的核環上質子均勻排列的空間有序性，與核外電子的規則排布相聯絡。核子環的自轉是環上所有核子獨立運動有向量和，即單粒子運動必須服從或服務於統一的整體轉動，這是綜合模所描述的——核子在核內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，核子環的集體轉動並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〕

　　由於核子環整體向一定方向自轉（順時針或逆時針），質子也都相應做環系運動，從而產生環系電流，這樣就使原子核中顯示出質子的正電移動性——質子流。因此，它們的統一運動產生了相同的磁場，這樣核環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）。中子也同樣產生中子流，中子流與質子流，它們佔據著各自的量子軌道（能級），雖然透過核子——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，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，核核心子表現出兩重性——粒子空穴性，核核心子的填充狀態是一種軌道運動的機率分佈，不再以費米麵作為佔據或空缺的自然分界線，這是引入準粒子時所描述的。而核子環轉動所形成的相對薄的表面及核子環的變形使核物質有低的可壓縮性，正是液滴模型的兩個基本假設。〔3〕

　　核子環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麼變化的表面振動。如果因個別核子的'動能（破壞核環形狀的）太大，迫使核環發生形變，離開原來的平衡形狀，成為橢圓環，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佈的非球對稱，而是具有旋轉橢圓球的對稱性。正是由於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，可能運動著核子環上對應著的一對質子或一對中子。也就是說，在同一量子軌道上運動著一對核子。

　　四、原子核的穩定性

　　在原子核中，質子與中子的有機組合構成了原子核真實的直觀結構。在核環上有多少個核子，就應有多少個核鍵，如12C核環上有12個核鍵，13C則有13個核鍵。這些核鍵是一個統一的整體，破壞一個原子核，必須給予其核子環上應有的若干個核鍵的總能量——總結合能E總。

　　一些穩定的原子核（包括基態核）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，原子核最穩定的結構是中子與質子均勻相間排列的核子環，且N=Z。它們是“具有高度的中子-質子對稱性的球形自軛核”，它們的核環上任一核子都達到了完全飽和鍵態，中子與質子結合得很緊密，電荷分佈為球對稱，如奇奇核14N和偶偶核16O等。在這樣的核環上加入（或去掉）一個或幾個中子成鍵，在核環一處或幾處出現了剩餘相互作用，即相同核子間出現了不飽和核力，核圓環可能因此變形為橢圓環，從而形成了近球形核。以上正是平均場理論所描述的。〔4〕

　　對於中子數多於質子數較多的中等核及重核，它們的核環上可每相隔兩個中子再排列一個質子，形成的核也是穩定的，即Z≤N≤2Z。但核環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定，具有很大的動能（使核環發生形變的，而非轉動的動能）。核環為阻止自身的形變，在核的表面張力作用下，會迫使其發生β-衰變，使其衰變成質子，然後與兩側的中子恰形成飽和核鍵而達到穩定。或者，此中子雖無大的形變動能，但受到核環上強大的表面張力的壓迫、衝擊，達到弱作用範圍，也會發生β-衰變，這就是重核的β-衰變。

　　在飽和的核環一處去掉一箇中子（可加入一個質子），會使兩個質子直接作用，達到了弱作用範圍，其中的一個質子會發生β+衰變，衰變成一個質量僅次於質子的中性新粒子——次中子，然後重新形成核鍵。但次中子是不穩定的，它能吸收光子（γ→e+e），而轉變成中子，如發生β+衰變後的重核伴隨著正負電子對的吸收現象，就反映了次中子的這一特性。如果質子不發生β+衰變，也可透過俘獲K電子使其中的一個質子轉變成中子而重新形成穩定的核鍵。可見，中子與質了在原子核內互相限制、彼此制約，並且中子在原子核內的作用就是起到連線質子的作用。當中子數少於質子數時，原子核就會不穩定，會發生β+衰變或K俘獲。雖然核自由中子會發生β-衰變，但在原子核內與質子成鍵後的束縛中子不會發生ββ-衰變，這是飽和核力作用的結果。

　　當核環上的中子與中子直接相連時，兩個中子成鍵均未飽和，出現剩餘相互作用，可仍與外來的低能量的中子形成弱的核力，但不在弱作用範圍內，不會發生β-衰變。這個中子沒有能力加到核子環上去，而是在核環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的密度不均勻的體系。﹝5﹞

　　對於重核，中子與中子直接連線處較多，剩餘相互作用較大，在核內起主導作用，當核環變形為梭形時，在核的兩端尖部會引起α衰變，使核環向圓環狀恢復，這樣就會發射α粒子。核子環能夠變形，與轉動頻率有關。在較低角動量時，原子核形成一箇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。當角動量繼續增加時，核環將在剩餘相互作用下發生裂變，此時剩餘相互作用能克服質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。以上是由原子核的轉動液滴模型所描述的。﹝6﹞

　　千變萬化的核反應，就是使核環上區域性的核子間原來的核鍵被破壞，並重新形成更強的新核鍵的過程，同時透過發射粒子（或γ射線）進行退激發，使新結合的核環向圓環狀恢復（斥力作用），這樣就產生了新的穩定的核。在低能時，核反應為熔合蒸發、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，重要的是人們要善於發現它。我希望能有更多的人接受本文思想精華，再付諸於實踐，我相信對核物理的發展將帶為質的飛躍！

　　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