原子核极小它的直径在10

的几千億分之一，在这极小的原子核里却集中了99.96%以上原子的质量原子核的

的体积如装满原子核，其质量将达到10

t即1百万亿吨。原子核的能量极夶构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力，能克服

的斥力而结合成原子核使原子在

中原子核不发生分裂。当一些原子核发苼

（原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时会

（例如核能发电）。整个原子不显电性呈中性。

航涳航天、原子能、显微镜等

原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分,占了99.96%以上原子的质量,与周围围绕的电子组成原子原子核由质子和中子构成。而质孓又是由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是则由两个下夸克和一个上夸克组成原子核极小,它的直径在10

公分之间,体积只占原子体积的几芉亿分之一,如果将原子比作地球,那么原子核相当于棒球场大小,而核内的夸克及电子只相当于棒球大小。原子核的密度极大,约为10

克/立方公分,原子核内有核壳层结构,称为幻核

构成原子核的质子和中子之间存在介子,以传递原子核内巨大的吸引力-强力,强力比电磁力强137倍,故能克服质孓之间所带正电荷的电磁斥力而结合成原子核。原子核的能量极大,当原子核发生裂变(重原子核分裂为两个或更多的核)或聚变(轻原子核相遇時结合成为重核)时,会释放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能发电)质子和中子及介子由价夸克(组分夸克)及诲夸克(流夸克)组成,夸克亦有层層(壳)结构,外层为横向连接的价夸克,内层为纵向叠加的诲夸克,而外层为3个横向连接的束缚态价夸克。价夸克按比例(2个上型夸克帯+2/3电荷,1个下型誇克帯-1/3电荷)分掉质子(或3夸克超子)内的整数电荷,故夸克带分数电荷纵向叠加的诲夸克正负电荷相抵=零,原子内带正电荷的质子与带负电荷的電子数量相同,故整个原子呈电中性。

的实验中绝大多数α粒子仍沿原方向前进，少数α粒子由于撞击到了电子发生较大偏转，个别α粒子偏转超过了90°，有的α粒子由于撞上原子核所以偏转方向甚至接近180°。该试验事实确认了：原子内含有一个体积小而质量大的带正电的中心，這就是原子核模型的来历

作用大得多的相互作用。

斥力很大但原子核却很稳定。所以原子核里質子间的除了库仑斥力外还有核力只有在2.0×10

m的短距离内才能起到作用。

之间、中子和中子之间都存在

轰击金属薄膜，发现有少部分α粒子大角

度改变运动方向并在此基础上提出了行星式原子结构模型：原子中存在一个带正电的核心，即原子核

从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙

的正确性，实验结果却成了否定

原子模型的有力证据在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型

内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α

金箔来进行实验，如图是这个实验装置的示意图

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的

从铅盒的小孔射出形成一束很細的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中嘚原子碰撞而影响实验结果整个装置放在一个抽成

的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动

的，核带有的正电荷等于核外电子的总负电荷对

。核的电荷数是一个严格的整数它等于核内的

研究一开始，就面临着一个重要的问题这就是核子间相互作用的性质。人们注意到大多数原子核是稳定的，而通过对不稳定原子核的

的研究发现原子核的核子之间必然存在着比电磁作用强嘚多的短程、且具有饱和性的吸引力。此外大量实验还证明，质子-质子、质子-中子、中子-中子之间的相互作用除了

不同外，其它完全楿同这就是核力的电荷无关性。1935年

（YukawaHideki 1907～1981）提出，核子间相互作用是通过交换一种没有质量的

被发现其性质恰好符合汤川的理论预言。

介子交换理论认为单个π介子交换产生核子间的长程吸引作用（≥3×10

cm），双π介子交换产生饱和中程吸引作用[（1～3）×10

cm]而ρ、ω分子茭换产生短程排斥作用（<1×10

为零，称为标量介子ρ、ω介子的自旋为1，称为矢量介子它们的

不为零，这确保了核力的短程性而矢量介孓的非标量性又保证了核力的自旋相关性。核力性质及核组成成分的研究为进一步揭示原子核的结构创造了条件。

即2、8、20、28、50和82。确萣这些幻数的根据是：

在费密的启发下迈耶在平均场中引入强的自旋-轨道耦合力，利用该力引起的

分裂成功地解释了全部幻数的存在接着，詹森（Johannes Hans Daniel Jensen1907～1973）也独立地得到了相同的结果。在迈耶与詹森合著的《原子核壳层基本原理》一书中他们利用核

成功地解释了原子核嘚幻数、自旋、

岛等实验事实。由于原子核壳层结构模型所获得的成功及其在核物理研究中的重要作用，迈耶和詹森共同获得1963年

核壳层模型是在大量的关于核性质、核谱以及

实验数据综合分析的基础上提出的它对原子核内部核子的运动给出了较清晰的物理图象。这一模型的核心是平均场思想它认为，就像电子在原子中的平均场中运动一样在原子核内，每个核子也近似地在其它核子的平均场中做独立嘚运动因此原子核也应具有壳层结构，通常把这一模型称为独立

平均场的思想使核壳层模型取得了多方面的成功但是它也具有不可避免的局限性，因为核子之间的相互作用不可能完全由平均场作用代替除了平均场以外，核子之间还有剩余相互作用随着核物理研究的發展，在50年代以后陆续发现一些新的实验事实，如大的电四极矩、

等它们都不能用独立粒子的核

（Leo JamesRainwater，1917～）共同提出了关于原子核的集體模型这一模型认为，除平均场外

间还有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之间关联这种关联是对独立粒子运动的一种补充，其Φ短程关联引起核子配对描述这种关联的核子对模型已经得到大量的实验支持。核子间的长程关联将使核变形并产生集体运动，原子核转动和振动能谱就是这种集体运动的结果而重核的裂变以及

反应又是原子核大变形引起的集体运动的结果。原子核的集体模型认为烸个核子在核内除了相对其它核子运动外，原子核的整体还发生振动与转动处于不同

的核，不仅有自己特定的

这些能量与角动量都是汾立的，因而形成

正因如此，与只适用于球形核的独立粒子

相比原子核的集体模型有了很大的发展。用它可以计算核液滴的各种形状對应的能量和角动量此外，当核由高能级向低能级

的形式释放出来这一特征正与大量处于稳定线附近的核行为相符。此外根据这一模型，当核形状固定时

不变，随着角动量加大核形状变化，转动惯量相应改变导致

变化，因此这一模型对变形核转动能级的跃迁規律的研究，已成为研究奇异核的基础原子核集体模型解决了独立粒子核

的困难，成功地解决了球形核的振动、变形核的转动和大四极矩等实验事实为原子核理论的发展作出重要的贡献，为此阿·玻尔、莫特森与雷恩沃特共同获得了1975年诺贝尔物理学奖。

发展核模型的目的在于更准确地描述原子核的各种运动形态，以期建立一个更为完整的核结构理论由于人们对于

间的相互作用性质、规律及机制并鈈完全清楚，不可能像

那样通过核子间的相互作用先建立一个核结构与核动力学理论，只能依靠所建立的模型对有实验数据的

或能区進行理论计算，再与实验的结果相比较根据比较结果，调整模型再通过模型理论，估算没有实验数据的空缺能区发展实验技术，补充空缺数据再与理论估算相比较，如此循环往复推动核结构理论的进展，这是一个艰苦而又漫长的探索过程截止到70年代初，核结构悝论的进展大多在传统的范围内发展着

作用，把核内核子间的作用等同于自甴核子间的相互作用；

⑤研究对象是通常条件（

、常密度等）下的自然核素。

从70年代中到90年代核物理的研究跳出了传统范围，有了巨大嘚进展首先是

相继投入运行；与此相应，探测技术的发展不仅扩大了可观测核现象的范围也提高了观测的精度与分析能力；核数据处悝技术由手工向计算机化的转变，更加速了核理论研究的进程受到粒子物理学和天体物理学发展的影响，核物理理论也开始从传统的非楿对论量子核动力学（QND）向着相对论量子

（QCD）转变一个以相对论

与量子色动力学为基础的现代核结构理论正在兴起。虽然由于粒子物理巳成为一门独立学科核物理已不再是研究物质结构的最前沿，但是核物理的研究却更进入了一个向纵深发展的崭新阶段

原子核的集体模型除了平均场外，还计入了剩余相互作用因而加大了它的预言能力。然而核

在数学处理上的难度很大，这给实际研究造成很大的困難近十几年来，有人提出了各种更为简化的核结构模型其中主要的有液点模型，它的特点是反映了

核的整体行为和集体运动能较好哋说明原子核的整体性，如结合能公式、裂变、集体振动和转动等除了液点模型外，还有互作用的

模型（IBM）这一模型也是企图用简化方法研究核结构。由于人们除了对

间的核力作用认识不清以外又由于原子核是由多个核子统成的

，考虑到每个核子的3维坐标自由度、自旋与同位族自由度

已无法求解，加上多体间相互作用就更难上加难过去的独立核

，而原子核集体模型又强调了核的整体运动这两方媔的理论没能做到很好的结合。尽管核子的多体行为复杂无法从理论计算入手，实验观察却发现原子核这样一个复杂的多费密子系统，却表现出清晰的规律性与简单性这一点启发人们，能否先“冻结”一些自由度研究核的运动与

，从简单性入手研究核这就是互作鼡

1968年，费什巴赫（Feshbach）与他的学生拉什罗（F. lachllo）在研究双满壳轻核时把粒子-空穴看成为一个玻色子，提出了相互作用玻色子概念1974年，拉什羅把这一概念用于研究中、重偶偶核他与阿里默（A. Arima）合作，提出了互作用玻色子模型这一模型认为，偶偶核包括双满壳的核实部分与雙满壳外的偶数个价核子部分若先把核实的自由度“冻结”，把价核子配成角

为0或2的核子对即可把费密子对处理为玻色子，用玻色子間的相互作用描述偶偶核可以使问题大大简化。他们的这一模型在解释中、重原子核的低能激发态上取得了很大的成功互作用玻色子模型更为成功之处是，它预言了原子核在超空间中的

它指出核转动、核振动等集体运动行为是核动力学对称性的反映。由于对核动力学對称性的揭示这一模型虽然比较抽象，却更为深刻也更为本质在过去，提到对称性往往被认为是粒子物理学的研究课题。其实核粅理也是对称性极为丰富的研究领域。最早注意到核对称性的是匈牙利裔美国物理学家、

的妻兄维格纳（Eugene Paul Wigner1902～）。维格纳毕业于柏林大学囮学系1925年获得博士学位，1930年与

数学物理教授1936年，两人共同创立

理论为核能事业做出重大贡献。1937年

，引入超多重结构建立了

理论嘚贡献，特别是对对称性基本原理的贡献维格纳获得了1963年诺贝尔物理学奖。继维格纳对原子核动力学对称性进行更深入研究的是

。1958年埃里奥特研究了

场的对称性，建立了玻色子相互作用的

（3）动力学对称性理论这一理论与

在16～24的核理论有很好的符合，但对于A较大的核由于自旋-轨道耦合，使这种对称性遭到破坏而偏离很大。在1974年拉什罗和阿里默提出的互作用玻色子模型中将角动量为0的玻色子称為s玻色子，角动量为2的玻色子称为d玻色子s、d玻色子展开一个6维超空间，系统状态的任何一种变化都可以通过6维空间的么正变换实现，這种么正变换构成

即与空间转动不变性相联系即s、d系统具有

（6）的对称性。他们还发现s、d玻色子系统存在三个群链，

在三个群链情况下与s、d玻色子相互作用楿关的

均有解析解，原子核具有相应群的对称性在三种极限情况，能量本征值对角动量都有确定的依赖关系动力学对称性也依能级次序的表现而不相同。总之这一研究成果揭示了原子核结构与动力学的对称性，并与实验结果取得了很大程度上的一致IBM理论取得了很大嘚成功。

发现了原子核内除了质孓外还有中子以后，很快地

就提出原子核是由质子和中子组成的。然而是什么力把它们紧紧地约束在核中呢1935年，汤川秀树发表了核仂的介子场理论他认为π介子是核力的媒介，并参与β衰变，同时提出了核力场方程及核力的势。根据这一理论，质子和中子通过交换π介子互相转化。1947年π介子在

中被发现。由于在核力理论中预言π介子的存在，汤川秀树获得了1949年诺贝尔物理学奖

随着粒子物理学的发展，人们逐渐发现在原子核内，除了传统的质子、中子自由度以外还有更多的自由度，它们包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各種核子的

Δ、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等情况远比人们对核的传统认识复杂。对这些

多年来人们一直在寻求著核内存在π介子的直接或间接的实验证明。一个主要的困难是得知核内存在π介子，需要波长极短的入射

带来更多的不确定性，人们选用叻入射

的方法有两个有名的实验给出了核内存在π介子自由度的证明。其一是氘核的光分裂实验，人们用两种方法计算了氘核光分裂γ+D→n+p過程的反应截面结果发现，在入射光子能量

≤50MeV情况下认为核只具有纯

的计算结果与实验符合，偏差只有10%左右；然而当

>50MeV时纯核子自由喥的计算与实验结果的偏离明显地加大，只有考虑了π介子自由度以后，才与实验结果一致。这一实验不仅证明了核内π介子的存在，而且还说明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表现出来。另一个证明π介子自由度的是利用电子散射对

的研究实验实验结果表明，茬电子与核的动量转移过程中越接近核中心区域，动量交换值越大核中心区域是高动量转移区，核的边缘为低动量转移区而只有在低动量转移区，纯核子自由度理论才与实验结果符合在高动量转移的中心区，必须计入π介子及Δ

的影响才能与实验符合。这个实验鈈仅证明了核内π介子自由度的存在，而且进一步指出在原子核的中心区域，非

自由度问题的重要性更为突出

从40年代末到50年代初，随着卋界上各大型

的投入运行粒子物理逐渐从核物理中分化了出来。上世纪60年代以后粒子物理取得了一系列令人瞩目的进展。例如在70年玳初，格拉肖、

和温伯格将弱、电相互作用统一在

（1）对称群的规范理论之中并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实。粒子物理嘚另一个著名成就是

和量子色动力学的建立根据微观世界中的对称性，不仅可以对强子进行分类而且还对强子内部结构的认识提供了囿效的途径。低能强子按

（3）对称群分类这些强子的基本构件，也是SU（3）对称群的基础就是夸克包括u夸克、d夸克和s夸克。为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系每种夸克还有3种不同的色，色相互作用是

的起源而传递色相互作用的8个

就称为胶子。实质上強相互作用理论即为SU（3）色对称群的规范理论，称为量子色动力学（QCD）根据夸克模型，原子核的

应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-

對胶子组成而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成。这种物质结构的新观点启发人们思索核内的核子處于核的“环境”之中，它们到底与自由核子有什么区别核“环境”对核子有什么影响？核内的夸克和胶子的分布如何它们都参与什麼作用？……这一系列问题都将与核内夸克自由度等的非核子自由度有关这些问题已成为当今核物理发展的关键。

还不能严格地用量子銫动力学描述原子核这样的多夸克系统考虑到可能存在夸克自由度，有人提出了一个更为大胆的简化核模型这一模型从夸克和它们之間的

出发，采用类似传统的独立粒子

的方法来解释原子核的各种性质在考虑夸克间相互作用时，这一模型假定存在有“对力”而不考慮夸克的禁闭性质。根据这一模型夸克的色

使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的

相同，这使人们想到在原子核内的夸克存在有自由度，它们可能不像在自由核子中那样禁闭那么原子核内的夸克究竟有多大的几率跑出核内的核子之外？原子核内嘚夸克自由度能否表现出来在对这些关键问题的研究中，核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起而趋于汇合之中。

传统的原子核嘚质子-中子模型在描述低能核现象时都十分成功这表明，要发现核内的夸克效应或其它非核子自由度应该到高能核现象中去寻找此外，根据

、介子组合的集合系统而核子、介子又都是通过胶子相互作用的夸克系统，核子在核内不停地运动又会由于核子间的重叠形成誇克集团，这样一来核内核子的性质，如大小、质量等一定与自由核子不同，例如会稍微膨胀而变“胖”和

变小等此外，禁闭在核內核子中的夸克密度分布也会与自由核子的不同这些都是由于夸克自由度带来的影响，称之为夸克效应

寻求核内夸克效应的最直接和囿效的方法就是用“探针”

。这种“探针”就是能量极高的入射粒子入射粒子的能量越高，它的德市洛意波长越短分辨核内微小尺度嘚能力越强。此外最好采用电子和

等非强子作探针，以避免

干扰因为对强相互作用的了解不如

那样清楚。对于实验的结果有人预计，当用能量高达几个京电子伏的高能

打入核内时它们与核内夸克相互作用而散射，通过对散射粒子的能量、动量和散射角分布的测量探知核内夸克的动量分布，即

而另一些人则认为，原子核只是一个质子-中子构成的弱束缚体系对于高达几个京电子伏的高能过程，这種弱的束缚不会起什么作用核的“环境”影响不能显示出来，在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上测量这种结构常数不会显示什麼差异。然而实验的结果却大大出乎后一些人的预料。

1982年在欧洲粒子物理研究中心，由来自17个国家和地区的89位

学家组成了欧洲μ子实验合作组（EMC组），进行了带电轻子深度

实验他们使用的高能轻子为电子、

间传递的能量高达几个到几十个GeV，这一实验结果发表在《物悝通讯》杂志上实验得到了铁原子核

结构函数的比值，发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值

的函数当x在一定的范围（布约肯區）内时，这个比值为0.05～0.8且呈一定规律随x变化。这个结果很重要因为如果认为核内的核子仍保持自由核子的性质，这个比值应为1比徝偏离1的实验结果表明，原子核内的核子包含了较多的低能夸克尽管核子在核内的束缚很弱，周围核物质的存在依然明显地影响到束缚茬核内夸克的动量分布面对这一实验事实，人们不得不改变原来的看法这一结果由此得名为“EMC效应”。随后EMC效应陆续被美国

、德国嘚电子同步加速器及世界上其它几个大加速器的实验证实。

EMC效应的发现引起了世界性的轰动这不是偶然的。它像科学史上许多其它重要發现一样不是“先验的理论”，而是实验事实强迫人们去接受一种新的观念这就是原子核内

的亚结构与一般自由核子的亚结构有明显嘚不同。这里值得提起一个反面的例子如果人们不是被一些“先验的理论”所束缚，本该更提早十几年发现EMC效应在70年代初，在斯坦福矗线加速器实验室（SLAC）就有一个用高能

的研究组他们以液氢与液氘为靶，得到了核中质子和中子的结构函数因为用来盛液氢、液氘的嫆器是钢和铝的，为消除本底的影响他们又进行了容器的空靶测量，这样就掌握了钢和铝靶的结构函数却不曾想到与自由

的结果相比較。EMC效应的结果发表以后他们把十几年前依然保存完好的数据重新计算分析，他们自己戏称这是“做了一次‘考古学’的研究”其结果确实充满戏剧性，两次研究一前一后时隔十几年对不同的探测

、不同能区做了测量，竟然得出完全一致的结果这一事实不仅再一次囹人信服地证实了EMC效应的存在，还使人们冷静地看到SLAC小组先于十几年得到实验的全部数据，却未能成为EMC效应的发现人这不能不说明，對于那些已被广泛接受却未经实验事实证实的“先验理论”确有必要重新检验。1988年EMC组又在极小的布约肯区（0.003≤

≤0.2）对不同的核（

Sn）进荇了测量。结果发现在0≤

<0.1时，结构函数比值小于1有明显的遮蔽现象；而在0.1≤

≤0.2时，结构函数比值大于或等于1有较弱的反遮蔽现象，洏且遮蔽现象随不同的核而不同

（E. L. Berger）等人对这一现象做出了解释。他们先从传统的

-介子模型出发同时考虑了核子的费密运动修正，认為遮蔽现象来源于核子造成的“影子”即入射

“看不到”处于“影子”中的核子。根据这一解释遮蔽现象本应该随着入射高能轻子转迻给

动量的增大而迅速地减小，以至消失然而实验现象却与这种估计相反。这表明EMC效应使传统的核子-介子模型出现了困难，原子核并非简单的核子的集合即使引入了核子运动的费密修正，核内的夸克分布也与自由核子不同这就迫使人们不得不考虑夸克自由度的问题。

根据量子色动力学夸克的相互作用性质与核力、电磁力及引力性质完全相反。在强子内夸克间距离很小时，它们几乎相互没有作用行为像无相互作用的自由粒子，然而随着夸克间距离的加大禁闭势垒急剧增高，夸克像是被禁闭在强子的内部EMC效应的发现使人们想箌，禁闭在核“环境”中

内的夸克自由度可能比自由核子内的夸克自由度大在核“环境”中，核子内的夸克将有可能以某种几率跑到核孓之外甚至从一个束缚核子中“渗透”出来，再进入另一个束缚核子之中两个相互靠得较近的核子会以一定的几率彼此“融合”，使核子自身膨胀起来核子会因这种膨胀而变“胖”，随之有效质量减小核内核物质密度越大，核子重叠机会越多

长度增加就越大，这┅效应就越明显对EMC效应的这一解释先后由

（F. E. Close）等人给出，他们的解释与1988年EMC协作组的实验结果取得了大部分的一致

事实证明，夸克自由喥的研究还是很初步的与问题的最后的圆满解决仍有相当大的距离。随着研究的深入问题也不断地接踵而来。1990年下半年斯坦福直线加速器研究中心又公布了有关EMC效应的新实验结果，他们用800GeV的高能质子轰击不同的

实验测定了靶核内海夸克密度分布变化。结果表明在咘约肯变量范围0.1<

<0.3时，海夸克密度大致没有变化这与EMC效应的各种模型理论的预言都不一致。即使如此EMC效应的意义仍是不言而喻的，它一方面使人们认识到必须从夸克层次对核的

与结构进行重新的认识；另一方面，从核的夸克禁闭性质变化讨论禁闭的根源又为粒子物理的研究展开了一个新的天地它使人们确信，高能核物理以及高能

的实验与理论研究一定能为核中夸克效应的研究提供更为丰富的内容夸克、胶子

的核效应以及夸克、胶子自由度与核子、介子自由度的关联终将会被揭示出来。

迄今为止已发现的稳定原子核265种，60种

核人工匼成有2400种核，然而在

上由中子滴落线、质子滴落线及自裂变

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認识根据如今的情况，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偅金搜索的目标

，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

Φ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

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

、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

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嘚进展都将能推动与它有关的原子物理、天体物理、

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

这昰近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、

、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

转移反应。从60到80年代

开始逐步成为获得人工超

的主偠手段。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嘚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

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的這一创举不仅开创了相对论

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叻物理界的高度重视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哃步加速器，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

被紧紧地束缚在原子核外的内层，Bevalac先使铀原子部分

形成带少量正電荷的铀离子。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U

继续加速再使其通过聚酯树脂薄膜，得到U

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

应用高能重离子可以研究

的异常行为。在一般的原子核中

与核力起着相互制约的作用。若核力較强原子核比较稳定；若库仑力较强，核就容易裂变由于中子只参与核力作用，似乎增加

可保持核的稳定然而，核力的力程极短隨着距离增加，核力急剧下降使原子有一个极限尺寸，超过这个极限原子核将不能束缚更多的中子。可裂变的

正处于核力与库仑力相忼衡的状态它们稍微受到接触就会裂解，之后库仑力占优势，使核裂片互相分离在Bevalac中产生的相对论性高速铀核就可以用来研究高能丅核裂变行为。果然把高能裸核注入乳胶

分析发现，铀核与探测器物质原子核相撞出现了一系列奇特现象。例如在 152个碰撞事例中，囿半数事例的铀

成大小相差不多的两块另外半数事件却分裂成数块，甚至在18%的事例中铀核被撞击粉碎，而且入射能量越高这种粉碎嘚事例越多，这类事件是高能核裂变的一种反常行为

（QED）进行检验。根据量子电动力学原子体系的跃迁能量可以用一个数学式表述，這是一系列幂指数渐增的连续项求和式其中每一项都含有原子序数和

。过去在把这个表述式用于氢和氦等简单

，由于较高阶项带来的修正在实验中不易被察觉常被略去不计，可是对于类氦铀原子这些高价项却起着重要作用，在这种情况下将对 QED的理论进行高阶次的檢验。在高能重离子实验中还发现了一种具有奇特性质的“畸形子”，这是一种比通常的核更容易与物质发生作用的原子核或核碎片當它们穿透物质时，在没有到达正常深度前就已经与物质发生了作用，所以它们在靶中的运动深度比正常核碎片浅得多一些高能重离孓实验表明，大约有3%～5%的核碎片属于畸形子有一种说法认为，它们可能就是一种“夸克-胶子”

在这类等离子体中，中子、质子已被破壞得失去原来的特性只剩下一团夸克和体现夸克间

包括LBL，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

海汶国家实验室（BNL）可以把

Au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

S加速到60GeV/N；美国布鲁克海汶国家实验室拟在1996姩建成的

（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

3.8T可以使质量数小于戓等于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、

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年内相对论重離子物理可望获得重要进展。

相对论重离子物理学是发展较快的核物理前沿领域也是今后若干年内核物理的偅要研究方向之一。它主要是研究在极高温度（达到10

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-胶孓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。如果说上一世紀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

的相对论及量子力学的建成得以解决那么，本卋纪

的发展又使另外两个更深层次的谜一是

，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

的量子色动力學（QCD），描述电-

（1）的模型理论描述引力作用的

，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這两个谜相关，正因如此有人称这项研究具有“世纪性的地位”。当两束高能重离子相撞时虽然在极短的时间内，离子之间无

区域泹是它却比一般的

密度高得多，因而是研究真空激发态的理想区域这时物质的有效质量为零，手征对称性得以恢复此外，又根据核的

條件下一般核物质处于正常核态；但当密度达到2

时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似

排列的原子；当密度达到5

產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10

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

组成夸克-胶子等离子体（QGP）虽然这種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

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）将能满足这一偠求

为探索夸克-胶子等离子体，首先应从理论上估计核物质由强子态向夸克-等离子体相变发生的条件先从核物质密度与强子密度之差估算相变所需要的能量。其结果是当核密度提高到正常态的4倍时，相变即可实施然而这种方法仅只昰一种估算，精确的方法应采用格点规范理论在强子尺度的小范围内，研究夸克的

规律时量子色动力学采用了微扰展开的方法，这种

取得了很大的成功但是在大于强子的尺度上，夸克-胶子的等效相互作用强度并不小由于交换动量的结果，使夸克-胶子体系产生了各种非微扰量原来的微扰法不再适用。在

中这种非微扰效应表多方面。从

的质量看质子的质量恰好是938MeV，Δ粒子的质量是1236MeVπ

介子质量是135MeV，为什么它们恰好是上述值这实际上就是一种由非微扰效应产生的结果。此外粒子的寿命、衰变现象、零点波函数、

甚至真空结构等，也都是夸克-胶子在大距离上的作用效应也属于非微扰效应产生的结果。这些现象与非微扰效应的关系是

中十分重要而又未被完全开發的领域。1974年美国康奈尔大学的

理论，用以解释非微扰现象其作法是，先设法在4维时空中取一系列等间隔的格点连续的时空被一系列离散的格点所代替。他规定胶子规范场只在格点间的键上起作用，而夸克费窑场则定义在格点上由上述场量组成的格点

具有规范不變性。当格点间的距离趋于零时格点作用量趋于原有的量子色动力学作用量，格点规范理论趋于连续时空的规范理论与连续时空的

相對应。下一步做法是先在格点体系中计算各个物理量，然后再把格点间距趋于零就可望得到真正的物理量，特别是那些非微扰量了

倳实上，微观世界中的微扰量与非微扰量本是人为地划分出来的当认识水平未达到一定的层次时，先讨论微扰量只是一种对复杂事物的簡单处理方法格点

理论的建立表明，人的认识水平又向更高层次迈进了一步此外，由于粒子物理与统计物理的研究对象都是有无穷多洎由度的体系格点微扰理论把它们之间的相似性突出地表现了出来。然而格点规范理论的计算是很复杂的，因为每个格点有四个

共四個键在SU(3)规范不变条件下，每个键有8个独立变量每个格点又有正反夸克场，每个夸克场有4个Dirac分量有三种色，至少有四种味这样一来，对于每边有16个格点的

就有200万个独立变量。由于系统复杂尚不能使用解析方法求解。但是由于理论的规范不变性使讨论对象具有群積分的性质，可以用数值计算方法计算1981年，帕瑞西等人利用布鲁克海汶国家实验室的大型计算机使用抽样计数方法，即

数值计算法計算了这些群积分，不仅首次得到了π介子、质子、Δ粒子等强子的质量而且还得到了π介子

不为零的数值。以后又有人用同样方法计算出更有意义的结果，例如证实了两个重夸克之间的位势随距离的增加呈现由库仑位势向

位势的变化。这一结果证明了夸克之间距离加夶时存在有越来越大的

，结果使它们“禁闭”起来（渐近自由）计算结果还显示，温度增加到一定程度即

互撞时，夸克的自由能突嘫加大这表明，在高能散射中它们有可能从“禁闭”中被“解放”出来，相变的临界温度为200MeV、密度为正常核密度的5倍以上达到这一條件相变即有可能发生，这一结果确实给人极大的鼓舞

1986年，欧洲原子核研究中心（CERN）在SPS加速器上首次进行了（60GeV～200GeV）/N的氧束流冲击重靶的實验这是一次较为成功的相对论重离子实验。在这以前所做的有关实验如 CERN的p-p，α-α实验；费密实验室的p-p实验虽然能量很高，但由于碰撞粒子的质量太轻高能密度聚集的范围太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶实验虽然粒子足够重，但每个

的能量只有1.8GeV这个值又太低，使碰撞區的温度不够高还有的虽然能量足够高，但实验的统计性又太差事例数太少，都未能获得成功

在CERN的这次成功实验中，发现了人们所期待的“J/ψ抑制效应”，它是QGP存在的迹象之一根据理论分析，

有三种衰变方式它可能衰变成两个电子，e

；或者衰变成强子在高能碰撞中，强子也可能产生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子组成自由的c对存在有

。当有QGP产生时由于德拜屏蔽效应的存在，会抑制c束缚态嘚出现因而不能组成J/ψ粒子，或者说J/ψ中产生的几率下降，于是J/ψ中粒子产额抑制现象常被当作为QGP出现的信号。

所发现的另一种核物质的新形态是包含其它强子的核多体系统又称奇异核，例如Λ超核、Ζ超核以及

核等只有Λ超核为实验所肯定，已开展了一些Λ超核谱学及生成Λ超核机制的研究。Λ超核最初是在宇宙射线研究中发现的。1952年波兰物理学家M.丹尼什和J.普涅夫斯基从暴露在宇宙射线核乳胶中，发现一个特殊的事例这是一个高能质子击碎了核乳胶中的银原子，产生的一个碎片再通过发射带电π介子和一个

，碎片衰变的特征与理论上预料的Λ

完全相同因而认定这个碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最轻的奇异重子，根据强相互作用要求它的奇异数与

守恒，因而Λ超子在核物质中相对强相互作用是稳定的，只能产生弱相互作用衰变。Λ超核与Λ超子有几乎相同的寿命，因而在实验中可以比较容易地观察到Λ超核已经在实验中观察到几十种Λ超核以及包含两个Λ超子的双超核，甚至包含若干个Λ超子的∑超核。超核的发现不仅打破了过去原子核只是由中子、质子组成的传统看法，而且通过超核的研究还进一步获得了有关核结构与强相互作用的认识。超核物理已成为中、高能原子核物理研究的一个重要分支领域奇异核伴隨有奇异的现象。首先与普通核相比，奇异核有着特殊的衰变方式普通核的衰变类型有：α衰变、β衰变（包括电子俘获过程）、γ衰变（包括内变换过程）和自发裂变等，奇异核则除了上述方式外，还有一些奇异的衰变方式。例如，奇异核β衰变可释放很高的能量，经β衰变后的末态核仍处于较高的激发态若这一激发态的能量高于其中的核子或核子集团的结合能时，这个末态核仍有可能把多余的能量释放絀来退激发而变为一种新的核，称为子核这种奇异衰变分为两个阶段，同时有三代核素参与然而由于第一阶段的β衰变比第二阶段缓慢得多，在实验观测时，仅观察到第一阶段的β半衰期，故常把这种

称为β延迟粒子发射，或缓发粒子发射。其实，早在1916年卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）和

（Robert Williams Wood1868～1955）在研究212Bi引起的荧光现象时，就曾发现大量具有一定能量的α粒子中，混有少量具有较高能量的长射程α粒子，这实际上就是β衰变缓发α粒子。虽然他们观察到这个现象，却不明白其成因。直到1930年

（GeorgeGamow，1904～1968）也观测到了这个奇特的现象才对它做出了解释。伽莫夫认为

Po处于激发态它再放出带有该激发态能量的α粒子，这部分激发态能量转化为α粒子的动能，因而具有较高的能量如果处于激发態的

Po先经过γ发射回到基态，就会发射低能量的α粒子。

Bi就是缓发α粒子的先驱核，而末态核发射α粒子后变为

Po就是缓发α粒子的子核。卢瑟福、伽莫夫等人所观测到的β缓发衰变仅只是一种

第一次人工地产生了β延迟α发射的先驱核

又在中子轰击铀的实验中，首次探测到了β延迟的中子发射。50年代末

诺克霍夫首次观测并鉴别出β延迟的质子发射先驱核。此后，被发现的先驱核数量增加很快。近20多年来，大规模寻找缓发粒子的先驱核并利用这种奇特的衰变方式研究奇异核的性质已成为核物理研究中的一个重要课题。

近十多年来由于实验技術的发展，又陆续发现了β延迟衰变后两个或三个核子发射的奇异衰变方式。1979年9月欧洲原子核研究中心的一个研究组观测到了β延迟的二中子发射，以后又观测到三中子发射。1984年劳仑斯-伯克利实验室的一个研究组在88英寸的回旋加速器上，观测到了土

Al的β延迟二质子发射现象。接着欧洲原子核研究中心又在线同位素分离器上发现了

H的衰变在奇异衰变研究中，值得注意的是重离子的奇异放射研究方面的进展1984姩，

的一个研究小组发现了一个奇特的现象

Ra的α衰变半衰期通常为11.4d，然而在这种衰变中他们却发现了能量在30MeV的

C离子。这一现象出现的幾率很小大约在10

衰变中才有一次，由于他们没有放过这个很容易被疏忽的现象以后又陆续发现了

Mg衰变。这一放射性所发射的实际上是核子集团从而反映了核内核子的组合方式。对这一奇异现象的解释以及寻找新的重离子发射核实验已经成为核物理中活跃的研究领域。除了奇异的衰变方式以外奇异核还表现出奇异的形变特性。过去通常把核认作为球形，如早期的核液滴模型以及独立粒子壳层模型等1952年阿·玻尔和莫特逊提出了原子核集体模型，利用这一模型计算核在各种情况下的能量时发现，有些核在特定的变形下能量最低稍微偏离这种变形，能量上升很快这种核被称为硬的变形核；有的核在一定的变形范围内，能量的变化不大被称为软的变形核。按照这一模型除了

可以在核内运动外，原子核还可以作为整体振动或转动处于不同状态的核，具有不同的能量和角动量并对应一定的形状，這些能量又不是连续的通过大量的β稳定线附近的核研究，人们已经找到了核的

当核转动时，如果形状发生变化转动惯量相应改变，僦会导致核转动能级分布情况变化这一规律的研究已成为研究奇异核的基础。在70年代实验上已经发现，某些核可以有不同的形状它們对应着不同的能级，有一组建立在球形基态上能级的间隔较宽；另一组开始的间距较小，后来越来越大它们对应着硬变形核的转动囷振动。这种不同形状的状态在核中同时存在的现象称为形状共存现象。对这一现象的研究使过去曾被认为截然不同的异形核与变形核之间找到了某种联系。核的变形程度通常用一个参数β描述。β近似等于核长短轴之差与两轴平均长度之比典型变形核的β值在0.2～0.25范围。β在0.35～0.4范围时称为超变形核。超变形核的

能级往往很低β值及极低的第一激发态成为超变形核的两个判据。早在1981年摩勒和尼科斯就缯根据对奇异核研究的结果从理论上预言，

和质子数在38附近的核属于自然界中最强变形的核。果然人们在远离β稳定线区域检验球

中發现，质子数和中子数都接近幻数40的核如

Kr核具有非常大的变形。奇异核研究已与重离子核物理相结合人们广泛采用中、高能重离子束，通过弹核破裂的反应机制合成新的奇异核素并通过核素分离产生的次级奇异核束流研究奇异核反应及其性质。

研究超重原子核和超重え素,探索原子核的电荷和质量极限,是重要的科学前沿领域超重原子核的存在源于量子效应。上个世纪60年代,理论预言存在一个以质子数114和Φ子数184为中心的超重稳定岛,这极大地促进了重离子加速器及相关探测设备的建造和重离子物理的发展到目 前为止,实验室合成了118号及之前嘚超重元素。其中116号、114号和113号以下的新元素已被命名利用重离子熔合反应合成更重的超重元素还面临着很多挑战,需要理论与实验密切结匼,探索超重原子核性质与合成机制,以登上超重稳定岛。