原子核物理發展現狀簡介

編者按：2007年初，按中國科協的規劃，中國物理學會組織了一些專家學者編寫中國的物理學科發展報告。這里，我們邀請參與編寫發展報告的部分專家，對物理學一些分支領域的發展現況做扼要介紹，供各位物理教師參考。下文是本系列推出的第一篇文章。

作者簡介：中國科學院理論物理研究所研究員，博士生導師。1963年畢業于吉林大學物理系，1963－1967年是兩彈元勛于敏先生研究生，從1992年起任中國核物理學會核結構專業委員會主席和副主席。長期從事極端條件下的核結構，核天體物理中的中子星性質及核內非核子自由度的研究。主持多項國家級科學項目，其中研究項目“高自旋與超變形核態的研究”1993年獲原國家教委科技進步二等獎，“原子核與超核性質的介子探針研究”1997年獲原國家教委科技進步二等獎，“原子核的奇特性質及新集體轉動模式的研究”2000年獲教育部自然科學一等獎。

貝克勒爾1896年發現了鈾元素的天然放射性，揭開了現代物理的序幕。同時，它也標志著原子核物理的起點。核物理的主要研究對象是原子核的結構、反應和衰變。一百多年來，通過核物理的研究，人們對物質結構、微觀世界與宏觀世界運動規律的認識不斷深化；到20世紀末，核物理的發現和成果，得到過17個年度的諾貝爾物理學獎和8個年度的諾貝爾化學獎；核武器的研制與核能源的開發利用，對人類歷史進程發生了巨大的影響；因此，原子核物理一直受到社會的普遍關注。下面，我們把原子核物理的發展現狀，做一簡要介紹。

原子核的尺寸很小，它的線度只有原子的十萬分之一。但是，它的質量卻占一個原子的99.9%以上。所以，我們的地球和宇宙中星體的質量，基本上都是由原子核貢獻的。而恒星中對抗引力塌縮的力量，主要是來自輕原子核的燃燒過程。所以，原子核物理的研究范圍，既可以小到10^-15米的微觀尺度，也可以大到宏觀的恒星尺度。

從上個世紀30年代中子的發現起，就建立了原子核主要由中子和質子（它們又統稱核子）組成的圖像。這個圖像，至今仍然正確。但是，由于粒子物理的發展，人們可以把一些其它的粒子，如Λ超子和Σ超子，束縛在原子核內，構成了所謂的超核。對超核的研究，已經成為核物理的一個重要領域。核子間的主要相互作用是強相互作用，又稱核力。此外，弱相互作用與電磁相互作用在原子核中也扮演著重要的角色。原子核是一個由這些基本相互作用支配的有限量子多體系統，由此而建立的核多體理論獨具特色。這些理論既有非相對論性的，也有相對論性的，它們仍處于不斷的發展之中。

自然界存在的穩定原子核不到300種。如果以中子數為橫軸，質子數為縱軸，把原子核排列起來，就構成所謂的核素圖。圖中的每個原子核叫一個核素。到目前，加上實驗室發現和產生的各種壽命的不穩定原子核，核素的總數已經有3000多個。但是，理論預言，核素的總數應當有8000多個。對這些未知核素以及已經發現的不穩定核素進行探索和研究，構成了當代原子核物理的幾個重大前沿領域，包括放射性核束物理、核天體物理以及超重元素的合成。

在核素圖中（圖1），所有穩定的原子核，都落在一條從左下角伸向右上角的斜線的附近。這條線被稱為β-穩定線。因為，這些核相對于β-衰變是穩定的。相對于β-衰變穩定的原子核內，其質子和中子數目，都有一個比較合適的比例。當核素逐漸離開β-穩定線時，這個比例會變得過大或過小，其壽命不斷變短。現有的原子核理論，基本是來自對穩定核的研究。在遠離β-穩定線核區，原子核處于弱束縛狀態。對于一個穩定原子核性質的描述，基本上可由其負能狀態決定。但是，對于一個弱束縛體系，其性質還與正能的連續態有關。這種與連續態耦合以及其它一些因素的影響，使得原子核的基本結構和反應過程可能發生重要的變化，如出現暈結構、集團結構、新幻數、軟巨共振、多反應道耦合和多步反應過程等。因此，產生并研究這些遠離β-穩定線的核素，既可以擴展和深化對于原子核性質的認識，又可以對現有理論進行極其重要的檢驗，促進理論的發展。同時，宇宙中元素的形成和演化，大都經由這些不穩定核進行。研究這些核素的性質及它們參與的核反應過程，對于核天體物理具有非常重要的意義。而宇宙中的中子星，可以看成是一個主要包含中子（和少量質子）的巨大原子核。對中子星等致密星體的研究，已經成為核物理界與天文界共同關注的課題。這些研究構成了當前核物理的兩個重大前沿領域，即“放射性核束物理”與“核天體物理”。

在核素圖中，沿質子數增加的方向發展，當原子序數接近和超過100時，核素的壽命越來越短。但是，理論預言，在原子序數為114附近，可能會有一些長壽命甚至穩定的核素。一般地，人們把103號以上的元素稱為超重元素，把114號元素附近的長壽命的核素構成的區域，稱為超重穩定島。合成超重新元素、攀登超重穩定島是自然科學的一個基本問題，也是對一個國家科研水平的重要檢驗。從上個世紀的中后期開始，國際上的幾個大實驗室展開了激烈的競爭。個別國際著名的實驗室里還出現了有人假造合成116號和118號元素數據的丑聞。目前，實驗室已經合成的111號（及其以下）元素已經得到國際組織的命名。但是，已經合成的這些核素的壽命都很短，并且隨著原子序數的增加壽命仍呈降低的趨勢，生成超重核的難度也越來越大。因此，如何尋找和到達超重穩定島，仍然是一個國際上備受關注的重大科學前沿領域。

在原子核物理的歷史進程中，演化出基本粒子物理這一姊妹學科。反過來，基本粒子物理的發展，又促進了核物理研究的深入與擴展。現在，人們已經認識到，核子是由夸克和膠子組成。因此，從物質結構的更深層次，即夸克和膠子層次，來研究原子核，研究核子的結構及其相互作用，構成了核物理的另一個重大前沿領域。同時，它也是原子核物理和粒子物理的交叉領域。

用具有一定能量的粒子，轟擊另一個原子核，觀察它所發生的變化，是研究原子核的重要手段。這個相互作用的過程，就是原子核反應。可以用作入射炮彈的，除中子、質子、氘核、α粒子和電子外，粒子物理的發展為人們提供了多種基本粒子，如π介子、K介子、μ子以及超子等，作為研究原子核的探針。另一方面，重離子（即比氦重的原子核）加速器的出現與發展，實現了兩個重原子核之間的反應，使核反應的種類大為豐富，為核物理開拓了更為廣闊的發展空間。前述的遠離β-穩定線的核素和超重元素，都是以重離子加速器為主要的實驗設備。通過各種重離子反應，還可以產生多種奇異核態，如高速旋轉的原子核，轉動速度可達10²²次/秒，是目前自然界中最快的轉動。高速轉動的原子核中出現了很多奇特的性質，對它們的研究，構成了“高自旋物理”的主要內容。

當重離子加速器的能量進一步提高，使被加速的原子核的速度接近光速時，就可以把兩個很重的原子核擠壓在一起，以至于可能把核子的界限打破，使囚禁在核子內部的夸克和膠子脫逸出來，形成所謂的夸克-膠子等離子體（quark-gluon plasma，簡稱QGP）。這是一種全新的物質形態。探索產生QGP的途徑，研究它的獨特性質，構成了核物理與粒子物理和宇宙學交叉的又一個重大前沿領域。

針對上述重大前沿領域的研究目標，從上世紀末到本世紀初，國際上一批大科學裝置已經建成或正在興建。如美國的高能強流連續電子加速裝置CEBAF，可從夸克層次研究原子核；美國的相對論重離子對撞機RHIC和西歐核子中心的大型強子對撞機LHC，是研究QGP的主要設備；美國、歐洲、日本和我國已經建成和正在興建的幾個大型的放射性核束裝置和升級改造的重離子加速器（圖2給出了我國的大科學工程——蘭州重離子加速器冷卻儲存環主環），為“放射性核束物理”、“核天體物理”和超重元素的合成，奠定了良好的基礎。在如此短的時間內，有這么多的大科學裝置投入運行或即將投入運行，這是核物理發展歷史中前所未有的局面。它必將為核物理提供前所未有的發展良機。

同時，核物理和核技術與其他學科的結合，如應用中子與輕、重離子進行的原子、分子物理，材料科學，生命科學和醫學等方面的研究，都在迅速發展并形成許多門類的交叉學科。核武器與核能源，仍然是當今世界各國普遍關注的重大問題。這些廣泛的社會需求，也給予了核物理巨大的推動力量。

因此，抓住前所未有的發展良機，借助社會發展給予的巨大推動力量，我們期待核物理在21世紀再創新的輝煌。

(欄目編輯廖伯琴)