[科普中国]-核物质

简介

无限大的核物质是各向同性的，并具有平移不变性，它避开了表面效应，因此大大简化了理论计算。在核物质体系中应用理论上提出的核子相互作用是检验核力的重要手段。在核物质近似下，用一种合适的核子相互作用进行计算，应该能正确地给出与实验测出的重核内中心区域密度相同的核物质密度，以及原子核结合能半经验质量公式（见液滴模型）中的体积能项。这个常数密度约为0.17核子每立方费密（1费密=10-15米）,而体积能约为16兆电子伏每核子2。

费密气体模型是核物质的零级近似3。很多证据证实，在原子核中，核子的平均自由程大于核子间的距离，这意味着核物质内核子在零级近似下是在一平滑变化的势场内运动。这样就可以写出由反对称化的单粒子波函数乘积表示的总波函数，其中单粒子波函数是平面波波函数与自旋、同位旋波函数的乘积。这就是费密气体模型。应用周期性边界条件对平面波进行归一化，可以算出单粒子态密度及其相应的费密动量以及同平均密度ρ0相对应的费密动量媡kF。ρ0=0.17核子每立方费密,kF近似为1.36费密-1。在温度为0开时，粒子逐次填充在所有可能的最低单粒子态上。处于基态的原子核可以被认为是处在0开的费密气体。 把费密气体模型加以扩充，使之包含核子相互作用所产生的关联效应，是核物质理论的主要课题。20世纪30年代所进行的最早期的研究，曾使用不具有奇异性的相互作用，试图由选择适当的交换混合来给出核力的饱和性。依据相互作用的幂次，进行了通常的微扰论计算。发现在这种非奇异相互作用下微扰级数收敛缓慢。而且对核子间相互散射的进一步研究表明，核子相互作用中存在相当强的排斥芯，不能应用通常的微扰论来处理。

布吕克纳-戈德斯通展开50年代以来,核物质研究的中心问题是发展适当的微扰方法1，以适应于相互作用中包含有奇异因素(即排斥芯)的体系。广泛应用的是布吕克纳-戈德斯通展开,也就是一般多粒子体系理论中应用的相连集团展开(linked-cluster expansion)方法。为了避免对相互作用部分V的矩阵元展开所导致的发散，在这种展开中用反应矩阵G（又称G矩阵）的矩阵元代替了V的矩阵元。反应矩阵G借助投影算符Q、能量因子e同相互作用V相联系，它满足算符关系式G=V-VQe-1G。

这实际上是核物质中两粒子间的近似等效相互作用。对排斥芯这样的奇异相互作用,G的矩阵元却是有限的。对不同的位势进行了标准的、一级布吕克纳- 戈德斯通展开的计算，所给出的各种位势所对应的饱和点（同kF相对应的结合能值）落在很窄的一条带中，即所谓的克斯特尔 (Coester)带。这些结果同半经验公式给出的值相近，但并不相符合。进一步的研究发现，以G代替V，并按G作展开，其结果将不收敛。

计算方法的发展针对布吕克纳 -戈德斯通展开中不收敛的困难，引入了空穴线展开方法，在这种方法中，包括n条空穴线的相连图形相应于n体关联。但这种方法计及三体关联，它仍得不到饱和点密度。可见收敛仍不够快，而计算高级图仍相当困难4。

另一种发展的计算方法是相干波函数变分法，也称为费密子超纲链方法 （FHNC）。 它应用贾斯特罗(Jastraw)型波函数来进行变分计算。计算表明,这种方法对中心力取得的结果比前述方法好，但对张量力仍有困难。一般认为这种方法用于研究高密度核物质具有较大优点，但方法本身还需进一步发展。改进核物质计算的另一个方面是进一步考虑多体力效应及考虑介子和Δ共振态自由度的存在。

核物质研究的新发展由于天体物理及相对论性重离子碰撞研究的发展5，处在高温、高密度等极端条件下核物质的性质，越来越引起人们的注意。根据强子由夸克组成的假设（见强子结构），预计在极端条件下将存在夸克物质（由夸克、反夸克和胶子组成的等离子体）。一般认为，它曾经在宇宙大爆炸过程中出现，也可能存在于中子星的内部。初步的计算还预言，当重离子核反应能量再继续提高后，有可能观察到通常核物质到夸克物质的相变。由于强相互作用理论本身存在许多不确定因素，这些研究还是相当初步的1。

核物质新形态的探索迄今为止，已发现的稳定原子核265种，60种天然放射性核，人工合成有2400种核，然而在核素图上，由中子滴落线、质子滴落线及自裂变半衰期大于1μs的限制边界内所包围的核素应有8000余种，这表明有一大半核尚未被人们认识。根据目前的情况，考虑到可能的生成与鉴别方法，估计还可能被生成或鉴别600种左右的新核素，它们是世界各地有关实验室不惜耗费重金搜索的目标。

然而，随着远离β稳定线，未知新核素的生成截面也越来越小，寿命越来越短，使分离、生成和鉴别的难度越来越大。远离稳定线原子核研究在核物理学中占有特殊重要的地位。首先，这些核素具有一系列独特的性质，例如它们的中子、质子数之比异常，有的核结合能极大，有新的衰变方式，如高能β衰变、β延迟粒子发射、β延迟衰变、表面结团结构、形状共存以及中子滴落线附近核的反常大半径等。对这些独特现象的研究，有助于检验和发展现有的原子核理论。此外，现有的核结构模型，大部分是在β稳定线附近几百种核研究基础上建立起来的，如液滴模型、独立粒子核壳层模型、核集体模型等，它们都有待在远β稳定线的原子核研究中得到检验、深化与发展。随着新核素的生成与鉴别，以及随着对它们的衰变性质及核结构的研究，会不断地有新的现象被揭示，人们对核内部的结构以及运动规律的认识也将不断地深化。此外通过对远离β稳定线原子核的研究，还可能找到某些新的同位素和核燃料，为核能与核技术的应用提供新的能源。总之，核物质新形态的研究是一个十分广阔而又值得探索的新领域，这一领域中的任何新的进展都将能推动与它有关的原子物理、天体物理、核化学以及放射化学的进展。

在核物质新形态探索中，带有重要影响的有重离子核物理、极端条件下原子核以及夸克-胶子等离子体的研究1。

重离子核物理这是近30年来，在核物理学研究中一个十分活跃又是极具有生命力的前沿领域。在本世纪50年代以前，人们在研究原子核的结构与变化时，只是利用质量小的轻离子，如氦核、氘核、质子、中子、电子和γ射线等轰击原子核，这一研究已取得了多方面的成果。从50年代到60年代中期，随着加速粒子能力的提高，人们开始使用高能碳、氮、氧核去轰击原子核，主要进行的是弹性散射与少数核子转移反应。从60到80年代，重离子核反应开始逐步成为获得人工超钔元素的主要手段。近20年来，大约以每年发现30～40种新核素的速度发展着。1982年5月11日，美国劳仑斯-伯克利实验室(LBL)第一次成功地获得了地球上天然存在的最重元素铀的裸原子核，并将其加速到每个核子147.7MeV的能量，整个铀238离子的总能量达到35GeV。在这个能量上，离子速度达到了光速的二分之一。LBL的这一创举，不仅开创了相对论重离子物理学，而且使核物理的研究跨入一个以前无法触及的新领域，在这个新领域中，一些激动人心的奇特现象引起了物理界的高度重视。LBL得到的高能铀离子是由一台称为贝瓦莱克(Bevalac)的加速装置获得的。这台加速装置由两部分组成。

一部分是高能质子同步加速器，它只能把质子加速到10亿电子伏，是40多年前建成，如今早已废弃不用的老加速器，把它配了离子源和注入器，作为第一级加速器使用；另一部分是重离子加速器。通常，重原子的内层电子由于强库仑作用，被紧紧地束缚在原子核外的内层，Bevalac先使铀原子部分电离，形成带少量正电荷的铀离子。然后，令其加速，当铀离子的速度超过核外电子的轨道速度时，使铀离子穿过某种金属膜，就会有相当多的电子被“剥离”，而形成带较多正电荷的铀离子，例如U68+。再使U68+继续加速，再使其通过聚酯树脂薄膜，得到U80+和U81+的离子混合物，最后再经过一层厚的钽膜，全部电子均被“剥”净，从而得到了绝大多数的裸铀核。

包括LBL，目前世界上共有4台高能加速器作为重离子核反应的研究基地。到1982年为止，LBL已经能加速直到铀元素的全部重离子；美国布鲁克海汶国家实验室(BNL)可以把16O、32S、192Au加速到15GeV/N(eV/N为每核子电子伏）；欧洲原子核研究中心(CERN)可以把16O、32S加速到60GeV/N；美国布鲁克海汶国家实验室拟在1996年建成的相对论重离子对撞机(RHIC)，投资4亿美元。它建在原本为建造质子-质子对撞机所开掘的隧道里，隧道周长3.8km。它包括两个巨大的超导磁环，最大磁场3.8T，可以使质量数小于或等于200的离子能量达到100GeV/N。它的一个重要目的就是研究在高温、高密条件下，实现普通核到夸克-胶子等离子体的相变。在今后的20年内，相对论重离子物理可望获得重要进展6。

夸克-胶子等离子体(QGP)相对论重离子物理学是近年来发展较快的核物理前沿领域，也是今后若干年内核物理的重要研究方向之一7。它主要是研究在极高温度（达到1012K，即太阳中心温度的 60000倍）以及极高密度（10倍于正常核物质密度）下，核由强子态向夸克物质态，即夸克-胶子等离子体的相变。这项研究具有极其重要的意义。首先，夸克-胶子等离子体是人们长期以来渴望求到却又难以得到的一种物质形态。夸克-胶子等离子体与一般的电的等离子体不同，在夸克-胶子等离子体中，夸克在强子外是自由的，而整体上又是色中性的。如果说，上一世纪给本世纪留下了两个谜，一个是无绝对的惯性系，一个是波-粒二象性，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得以解决，那么，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来。当前，描述自然界四种基本作用的理论是，描述强相互作用的量子色动力学(QCD)，描述电-弱相互作用的 SU(2)×U(1)的模型理论，描述引力作用的广义相对论，这些理论的最终统一将使这两个谜获得最终解决，而相对论重离子物理研究又直接与这两个谜相关，正因如此，有人称这项研究具有“世纪性的地位”。根据核的相变理论，在正常温度和正常密度ρN条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度达到2ρN时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度达到5ρN左右，单个核子产生许多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度达到10ρN左右，核由强子激发态继续发生相变，此时出现解除夸克禁闭，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范围内自由运动。此时，夸克与夸克间相互作用粒子组成夸克-胶子等离子体(QGP)。虽然这种理论分析尚有许多不确定因素，却引起了许多人的兴趣。人们一致认为，高能重离子反应是实现这一相变的最有希望的途径。有人估计，要实现普通核的非禁闭相变，核碰撞质心能量要达到100GeV/N。预计在1996年建成的美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)将能满足这一要求。