[科普中国]-核温度

概念

核温度的确定对于核物理研究的许多问题有重要的影响，可是我们对于核温度的测量并不是很成熟，不同的测量方法得到的温度参量相差比较大，甚至于关乎核温度的一些概念的确立也不是很完善。一个关键但是有没有完全确认的问题是，在原子核反应中是否形成了平衡态，或者局部平衡，只有建立了平衡态，才会有温度的概念。另外还有一个问题，在核反应中我们可测的往往是反应中发射的粒子、碎片等初级产物经过一系列的级联衰变过程后的最终产物，在这一过程中核温度随体系发射粒子和碎片或许也在变化，核反应过程中不同的阶段会有不同的温度。即使我们所用的测温方法很有效，得到的结果究竟是核反应中哪一阶段的核温度，确切回答这一问题并非很简单，一般我们希望得到体系经热化后最后发射核子时的温度，根据所测物理量所含的信息反推得到freeze-out阶段的信息是一个很困难的工作。1

测量方法双同位素产额比提取核温度S. Albergo 等人在1985年提出了利用双同位素产额比提取核温度的原理和方法，2逐渐在中能重离子物理中得到广泛应用。例如Aladin小组在 GSI 利用 600MeV/u Au + Au反应，第一次在很宽的激发能范围内研究了核温度与激发能的关系，给出核物质的量热性质与水的相变有惊人的相似。3通过双同位素产额比提取的核温度称为同位素比温度Tiso，这种方法的优点在于它可以消除化学势的影响， 并且在入射能较高的情况下依然能得到合理的结果。随着重离子物理研究的深入和同位旋物理这一领域的开辟，人们在同位素产额比及核温度确定等方面又做了大量的研究 。

研究表明影响同位素产额比的因素很多，所提取核温度有很大的不确定性。例如，由于不稳定粒子或碎片的相继衰变和另外一些可能被简单理论模型忽略的过程的影响，最终所测量到的同位素产额比已经偏离平衡时的值，因此 Tiso也强烈依赖所选的粒子对，基于这一思想，Tsang M B 等人通过基于跟随衰变理论的 Monte-Carlo 模拟， 得到各种粒子对的修正因子。4另外，在热核衰变中发射的中等质量碎片（ IMF），其内部激发对 Tiso 也有很大的影响，这种影响的大小可以通过对IMF内部激发配分函数展开的一级近似加以估算。事实上，由于中能核反应中粒子来源相当复杂，各种同位素的产额不仅可以反映热核的衰变性质，而且还会带有碰撞过程的动力学信息，因此， 同位素产额比温度的提取就有种种内在的不确定因素。

通过 4 个角度的粒子测量，得到各种元素的不同同位素产额。单同位素产额比表现出来一定的同位旋效应，丰中子粒子在40Ar + 124Sn 体系中的发射几率略高于 40Ar + 112Sn 体系，而质子在 40Ar + 112Sn 体系则更容易发射。动力学效应对不同同位素的产额有较大的影响。由于化学势在碰撞体系中逐渐趋于平衡，所提取的同位素产额比温度没有表现出靶核相关性。核温度的确定对于核物理研究的许多问题有重要影响， 对核温度的测量有几种方法，在中能区得到的温度参量相差较大。除了对于有关核温度的概念方面的争论以外，人们还对不同方法提取温度的可信度提出质疑。在核反应中可测量的往往是反应中初级产物经过一系列级联衰变过程后的终产物。另外，在中能区，弹靶碰撞体系往往在未达到热力学平衡就开始发射粒子，即使达到热力学平衡后，其衰变链也很长， 链上不同位置的蒸发产物也有不同的分布特征，这些因素都会影响最终温度的测量结果。5

高激发核物质核温度测量多年来，随着重离子束流，特别是中高能重离子束流的提供，对原子核物质的性质，特别是其热力学性质进行了很多的理论研究和实验研究。众所周知，原子核在低激发时，其热力学性质，如核温度与激发能的关系遵
循费米气体的规律，即 E* = aT2，其中 a 是能级密度参数，取值范围在 1 /13～ 1 /8 MeV，T是核温度。理论上 认为，随着激发能的增加，核物质将会发生液-气相变。

一种理论认为，在热激发能不是太高的时候( 3～ 4 MeV /u)，核物质发生的相变现象是由于核物质热熔量的变化，实验上观察到的是核碎成三块或更多个较大的碎块，以及轻粒子的发射。这时，核温度将不随激发能的变化而变化。核激发能进一步增加到 8～10MeV /u 时，核物质则全部碎为轻粒子 (气化 )，这种现象与人们经常遇到的水的汽化有类似之处。人们也就想象核物质的相变图与水的相变图应该是类似的（右图）。6