原子核結(jié)構(gòu)

核模型，即對(duì)核子在原子核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)提出的解釋和設(shè)想。由于核力及核多體問題的復(fù)雜性，對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)還不能做到完全的、精確的理論描述，因而只能根據(jù)相當(dāng)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，歸納出幾條解釋某些核現(xiàn)象的局部規(guī)律。

從20世紀(jì)30年代認(rèn)識(shí)核由質(zhì)子和中子組成后，已經(jīng)提出多種核結(jié)構(gòu)模型，如費(fèi)米氣體模型、液滴模型、殼層模型、綜合模型、超導(dǎo)模型、相互作用玻色子模型等等。這些模型都能解釋一定的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但不能說明另外一些事實(shí)，還沒有一種結(jié)構(gòu)模型能夠統(tǒng)一說明各種事實(shí)。綜合各種模型可以獲得比較全面的原子核結(jié)構(gòu)的圖像。比較基本而影響頗大的核結(jié)構(gòu)模型有：

原子核結(jié)構(gòu)液滴模型

①液滴模型。主要的實(shí)驗(yàn)事實(shí)依據(jù)是核的密度為很大的常數(shù)，顯示核基本上是不可壓縮的；原子核的比結(jié)合能近乎為常數(shù)，核的結(jié)合能正比于核子數(shù)，表明核力具有飽和性，核子只與鄰近的幾個(gè)核子相互作用。這與宏觀的液滴甚為相似。據(jù)此，30年代中期N.玻爾等人提出液滴模型，把原子核看成一個(gè)帶電的不可壓縮液滴，根據(jù)液滴的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)原子核作動(dòng)力學(xué)描述，并適當(dāng)加入量子效應(yīng)引起的修正；以后又逐步增加一些新的自由度，如將質(zhì)子、中子分別看成兩類流體，甚至將自旋取向不同也看成不同流體，并引入可壓縮性、粘滯性等性質(zhì)。根據(jù)液滴模型可得出準(zhǔn)確度相當(dāng)高的原子核質(zhì)量半經(jīng)驗(yàn)公式，在一定程度上可說明原子核的表面振動(dòng)，相當(dāng)成功地說明原子核裂變的機(jī)制。其不足是不能說明原子核性質(zhì)的周期性變化現(xiàn)象。

原子核結(jié)構(gòu)核殼層模型

②核殼層模型。因研究幻數(shù)而提出的核模型。大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)顯示隨著核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)增大，核的性質(zhì)呈現(xiàn)某種周期性變化，當(dāng)質(zhì)子數(shù)Z或中子數(shù)為2，8，20，28，50，82以及中子數(shù)為126時(shí)，原子核顯得特別穩(wěn)定，在自然界的含量也比鄰近的核素更豐富。這些數(shù)稱為幻數(shù)，具有幻數(shù)的核稱為幻核。這與核外電子填滿殼層時(shí)的惰性元素化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定有類似性。因此考慮核子在其余A－1個(gè)核子的聯(lián)合作用下的球?qū)ΨQ中心勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，并考慮核子的自旋軌道強(qiáng)耦合作用，可以得出核子由低到高的能級(jí)結(jié)構(gòu)。這些能級(jí)構(gòu)成一些殼層。核子遵從泡利不相容原理，不可能有兩個(gè)質(zhì)子或兩個(gè)中子處于完全相同的狀態(tài)，由此可說明核子填充各能級(jí)（殼層）顯示的核性質(zhì)周期性變化現(xiàn)象，并得出與實(shí)驗(yàn)符合的全部幻數(shù)。核殼層模型還能很好地說明核基態(tài)的自旋和宇稱；其不足在于對(duì)核的電器極矩、磁矩的定量說明同實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的偏離，確定遠(yuǎn)離滿殼層的核自旋也有些偏差。

原子核結(jié)構(gòu)綜合模型

③綜合模型，又稱集體運(yùn)動(dòng)模型。是在殼層模型和液滴模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，一方面考慮核作為集體的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)，另一方面考慮每個(gè)核子又在一個(gè)變動(dòng)的非球?qū)ΨQ的平均勢(shì)場(chǎng)中作獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)還有相互影響。根據(jù)綜合模型可很好說明核的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)，關(guān)于核的電器極矩、磁矩以及γ躍遷率的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)值的符合程度也都有明顯改善。

用實(shí)驗(yàn)方法研究核結(jié)構(gòu)的目的，就是要通過對(duì)核結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，以及對(duì)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，揭示出某些核結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，為檢驗(yàn)現(xiàn)有的各種理論，以及為提出新的物理思想以改進(jìn)現(xiàn)有的理論提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

高自旋態(tài)的研究是當(dāng)前核結(jié)構(gòu)研究中的前沿和熱門領(lǐng)域，目前（2013年），立足于利用國(guó)內(nèi)設(shè)備做核結(jié)構(gòu)研究的主要有五家，即中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中科院蘭州近物所、中科院上海原子核所、清華大學(xué)和吉林大學(xué)，五家核結(jié)構(gòu)研究得到國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金(80萬(wàn)元，1997-2000年)的支持，從2000年開始，蘭州近代物理研究所、原子能科學(xué)研究院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、吉林大學(xué)五家聯(lián)合承擔(dān)了一個(gè)國(guó)家重大基礎(chǔ)性研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目，五家的研究，各有側(cè)重，互不重復(fù)，并各有特色。

原子核模型(nuclearmodels)在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立的描述核結(jié)構(gòu)的模型。由于至今對(duì)于核力還不能作嚴(yán)格而全面的描述，為了說明核結(jié)構(gòu)特性，只能在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立有關(guān)核結(jié)構(gòu)的唯象的模型，再將由此得出的結(jié)果與更多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)作比較，使之完善充實(shí)。這種模型的研究方法往往成為新的理論和實(shí)驗(yàn)研究的起點(diǎn)。

核磁共振是當(dāng)原子核被磁場(chǎng)磁化時(shí)對(duì)射頻的響應(yīng)。原子核一般都有凈磁矩和角動(dòng)量（或自旋），當(dāng)外部磁場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)，原子核就會(huì)圍繞外磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，和陀螺圍繞地球的重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)是一樣。如果這些發(fā)生自旋的原子核有磁性，且和與外部磁場(chǎng)發(fā)生相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生出可測(cè)量的信號(hào)。若原子核中的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)有一者或兩者都為奇數(shù)，那么產(chǎn)生核磁共振信號(hào)的條件就具備了，如氫核1H，碳13C，氮14N 等。自然界中氫核1H 的含量豐富，具有較高的檢測(cè)靈敏度，磁矩比較大并且容易產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)。所以絕大多數(shù)的核磁共振技術(shù)都是以氫原子核的響應(yīng)為基礎(chǔ)，我們討論的質(zhì)子就是氫核。氫原子核有一個(gè)質(zhì)子，是一個(gè)很小的具有角動(dòng)量或自旋的帶正電荷的粒子。自旋質(zhì)子相當(dāng)于一個(gè)電流環(huán)，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。兩極（南極和北極）對(duì)準(zhǔn)自旋軸的方向。因此氫核可以認(rèn)為是一個(gè)磁針，其磁軸與核的自旋軸一致。當(dāng)存在許多氫原子且無(wú)外部磁場(chǎng)時(shí)，氫核的自旋軸是隨機(jī)取向的脈沖翻轉(zhuǎn)和自由感應(yīng)衰減。磁化矢量從縱向翻轉(zhuǎn)到橫向平面，通過一個(gè)與靜磁場(chǎng) B0垂直的交變磁場(chǎng) B1來完成。B1的頻率必須的等于質(zhì)子的拉莫爾頻率。從量子力學(xué)的角度看，如果質(zhì)子處于低能態(tài)，它就會(huì)吸收由 B1提供的能量躍遷到高能態(tài)。B1還能使質(zhì)子之間同向進(jìn)動(dòng)。由 B1引起的能級(jí)的變化和同向進(jìn)動(dòng)就稱為核磁共振（NMR）。

《原子核轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的幾個(gè)基本問題》是金太浩撰寫的論文。

副題名

外文題名

論文作者

金太浩著

導(dǎo)師

曾謹(jǐn)言教授指導(dǎo)

學(xué)科專業(yè)

理論物理

學(xué)位級(jí)別

d 1995n

學(xué)位授予單位

北京大學(xué)

學(xué)位授予時(shí)間

1995

關(guān)鍵詞

原子核結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

館藏號(hào)

O571.2

唯一標(biāo)識(shí)符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.012002624692

館藏目錄

1998\O571.2\10

粒子模型兩個(gè)質(zhì)子的凝聚

通常物理學(xué)上將質(zhì)子和中子稱作核子，即原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。從中子模型可知，中子是由質(zhì)子和電子構(gòu)成的復(fù)合粒子，因此將原子核理解為由質(zhì)子和電子構(gòu)成更為恰當(dāng)。

原子核中的質(zhì)子之間和質(zhì)子與電子之間是通過場(chǎng)的耦合而凝聚在一起的。質(zhì)子與電子之間的耦合原理見中子模型。根據(jù)質(zhì)子模型可知，質(zhì)子端面的中性場(chǎng)是比其斜面和側(cè)面更強(qiáng)的場(chǎng)，因此兩個(gè)質(zhì)子是端面相對(duì)凝聚在一起的。

如圖7-1所示，凝聚在一起的兩個(gè)質(zhì)子，它們內(nèi)部的光子一一對(duì)應(yīng)且極性相反，端面中性場(chǎng)之間、斜面中性場(chǎng)之間以及側(cè)面極性場(chǎng)之間的場(chǎng)線相互耦合，所有耦合場(chǎng)的耦合力共同構(gòu)成了物理學(xué)上所謂的強(qiáng)核力。

粒子模型原子核的梭狀模型

以氮原子核為例，如圖7-2所示，氮原子核存在上下、左右和前后三種結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。原子核中心最長(zhǎng)的一串質(zhì)子和電子稱作原子核的中軸，用R0/L0表示，L0對(duì)應(yīng)的面又稱原子核的主面；圖7-2中a中上下兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對(duì)應(yīng)的軸記為R 1和R-1，相應(yīng)地，前后兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對(duì)應(yīng)的軸記為L(zhǎng) 1和L-1(見圖7-2中b)。氮14和氮15的原子核中各軸上的質(zhì)子和電子的數(shù)量見圖7-2c和d。不同軸上相鄰的兩個(gè)質(zhì)子，在軸上的位置相差半個(gè)質(zhì)子占位。

從氮原子核模型可以看出，原子核是由質(zhì)子和電子凝聚成的梭狀體。核內(nèi)質(zhì)子同向規(guī)則排列，相鄰軸上質(zhì)子相互咬合而不存在間隙，原子核的剖面圖呈肺泡結(jié)構(gòu)，可見原子核的物質(zhì)密度是極高的；所有相鄰的質(zhì)子間，它們相對(duì)的光子均極性相反而緊密耦合在一起(參見圖7-1)，這就形成了核力的強(qiáng)力性質(zhì)；電子如同毛發(fā)一樣附著在核表面的質(zhì)子上，電子和它所附著的質(zhì)子一起，我們稱作了中子，這就是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到中子都分布在核表面的原因 。

從上述核結(jié)構(gòu)模型可以看出，核力是由核子之間多個(gè)中性場(chǎng)之間和極性場(chǎng)之間的耦合力共同構(gòu)成的，其中中性場(chǎng)之間的耦合力起主導(dǎo)作用?？梢?，核力和引力是性質(zhì)相同的力，關(guān)于核力的短程性，這是由質(zhì)子費(fèi)米級(jí)的場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)(即質(zhì)子半徑)所決定的。

粒子模型部分原子核的結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)原子核的梭狀模型原理，參考元素豐度和元素周期理論，建立元素周期表的前兩個(gè)周期元素的核結(jié)構(gòu)模型和原子核中核子排列分別見圖7-3和下表。

從圖和表可以看出，豐度為100%的元素，其核結(jié)構(gòu)具有三個(gè)方向上的對(duì)稱性；豐度非常低的元素，其核結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性也較差；同一種元素的不同同位素之間，核結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好的，其豐度也相對(duì)較高。據(jù)此推測(cè)，所謂幻數(shù)核就是核結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好的原子核。

由此可以得到如下結(jié)論：原子核中軸或主面上的質(zhì)子數(shù)最多，距離中軸或主面越遠(yuǎn)，軸或面上的質(zhì)子數(shù)越少；中軸上質(zhì)子數(shù)不少于4時(shí)，其兩側(cè)軸上才會(huì)有質(zhì)子存在，依次類推，且二者的質(zhì)子數(shù)相差一般不小于3。

需要指出的是，上述核結(jié)構(gòu)模型還處于初級(jí)階段。尤其中軸以外各軸上的質(zhì)子和電子的排列，存在多種可能性。只有通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，才能從多個(gè)可能性中確定唯一的排列，或確認(rèn)同位素存在進(jìn)一步的細(xì)分。

值得一提的是“原子質(zhì)量單位”的概念。1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議決定，定義一個(gè)C中性原子處于基態(tài)時(shí)靜止質(zhì)量的1/12為原子質(zhì)量單位。從上述原子核模型可知，原子核具有由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)雜的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，“原子質(zhì)量單位”僅是一種極為粗造的描述原子核的一種方法而已。