[科普中国]-核结构

研究历史

1911年英国物理学家E.卢瑟福在 α散射实验中发现了原子核的存在；1932年，J.查德威克又发现了中子；接着，W.K.海森伯提出了原子核是由质子和中子（统称为核子）组成的概念。这是核结构研究的第一个阶段。1935年日本物理学家汤川秀树提出核力的介子交换理论以及后来发展较快的量子力学理论，使人们对原子核结构的认识不断深入。

研究意义核结构的研究包括研究原子核的组成、组成原子核的粒子之间的相互作用和这些粒子在原子核内的运动规律。原子核的结构对于原子核的变化起着决定性的作用。通过研究核结构的各类实验数据，为核能的利用提供了可靠的基础；核结构的知识又为物质结构的其他领域提供了借鉴。

费米气体模型费米气体模型是最早的独立粒子模型。该模型视核子为类似气体分子的费米子，则核可视为费米气体。由于质子与中子有电荷的差异，它们的核势阱不相同。

壳层模型壳层模型是迄今为止最成功的核模型。核壳层模型的物理基础是，泡利原理大大地限制了核内有着强相互作用的核子的可能运动状态，因而可以近似地用平均场中的独立粒子运动，来描述原子核的状态。

从实验中导出的核内核子平均自由程很长，几乎与原子核的尺寸相当。这也支持核内核子近似独立粒子运动的假定。

最简单的独立粒子运动模型，是费米气体模型。它能给出原子核的平均密度、平均动能等整体性质的定性估计。但是，真正能定量计算原子核性质的，还是壳模型。早期的壳模型的平均场是带有大的自旋-轨道耦合项的球形位势，成功地解释了幻数和大量球形核的基态性质。Mayer和Jensen为“关于核粒子壳层结构方面的发现”与 Wigner分享1963年物理学诺贝尔奖。

原子核壳模型不断在发展，出现了各种改进的壳模型。如，针对非球形的原子核，发展了变形的壳层模型，即得到广泛应用的Nilsson模型；能考虑原子核转动的推转壳模型，投影壳模型；以及近年来才发展起来的有可能对重核做“精确”计算的Monte-Carlo 壳模型。这样，就使得壳模型能解释的实验数据越来越多，适用的范围越来越大，几乎成为各种宏观的、唯象模型的微观基础。壳层模型是迄今为止最成功的核模型。

集体模型以壳层模型为基础，即认为核子在平均场中独立运动并形成壳层结构；同时，原子核可以发生形变并产生转动和振动等集体运动。

原子核产生形变的原因：外壳层核子的概率分布不是球对称的，从而导致原子核出现非球形变化，但变化较小；外壳层核子的运动使满壳层上的核子受到一定的力的作用（极化作用），从而使核心变化导致形变。