核物理学简介

翻译一节德国实验物理教材（Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik，第4卷，物质组成，2003年版，第4章，原子核），介绍了核物理的一些基础知识，5300字。

4.1 引论

4.1.1 核物理是关于什么的？

原子核是令人着迷的研究对象，这有很多原因。从工具仪器的角度看，它的尺寸（几个fm（飞米）， $10^{- 15}$ m）以及它辐射的能量（一般是兆电子伏特，MeV）都不在我们的感官可获取的经验范围之内。因此通常需要使用精密且复杂的的检测仪器来研究它，而核物理的历史充满了设计精巧的仪器。但原子核令人着迷的原因更多是因为它给我们展示了新型的力，这些力与我们熟悉的经典的引力和电磁力完全不同。

新型的力。所谓的强相互作用对于核的存在、尺寸和形状，核由质子和中子构成的结构，以及核反应的进程至关重要。对强相互作用特性的阐明至今仍是核物理的关键目标。与宏观物体间的引力和带电物体间的库伦力不同，强相互作用仅存在于我们称为强子的粒子之间。质子、中子和介子都是强子。相比之下，电子或μ子（与电子具有相同的属性，除了质量与电子不同，其质量是电子的207倍）并不受到强力作用；这些轻粒子称为轻子。经典作用力的作用范围扩展到无限远，并且呈平方反比下降，而核力的作用范围很短，仅限于核的直径范围，作用范围是这两者的重要区别。

另一种新型的力称为弱相互作用，它在所有的β衰变过程中都很明显。自由中子是不稳定的，会衰变为质子（和轻子），这个过程是弱相互作用的结果。几十年来，原子核是实验者研究这两种新型力时唯一能用的物体。只有高能粒子加速器和灵敏检测仪（尤其是对中微子）的发展，才使得分开研究系统的强相互作用和弱相互作用成为可能。

电磁力和弱力比强相互作用要小很多个数量级，并且在现代场论中被归结为电弱力这个概念。你可能会认为它们在原子核中是可忽略的。然而事实不是这样。因为在微观系统中，除了力的强度外，还要考虑一些别的属性。对于熟悉经典物理或原子物理的读者，力和作用这个概念是基于系统的势能以及由势能确定的空间对称性的。比如氢原子1/r形式的中心对称静电势。然而在强相互作用和弱相互作用的领域，部分非空间的对称性也在起作用，这些对称性可以阻止或妨碍能量上允许的过程。在核子间引入电弱相互作用确实使问题的数学计算变得更加困难。但是，需要注意到，电弱力是已知的，因此是可计算的，它们与强力的相互作用通常使其效应显现出来。这一点将在4.5节中用几个例子加以说明。所有三种力在同一个对象（即原子核）的微观物理中的共存和相互作用，自从核物理诞生以来，一直是引起智识兴趣的关键问题。

原子核作为量子力学多体系统。质子和中子具有半整数的内禀1/2自旋（以普朗克常数ℏ = h/2π为单位），因此是费米子。自然中的原子核最多可由92个质子和146个中子构成。由于核子间的复杂相互作用，这样一个多费米子系统的量子力学计算是极其困难的。我们可以将核与原子进行比较，原子中的电子也是费米子，但是情况是非常不同的。在原子中，重的原子核产生长程的，吸引的，中心的库伦场，该场受电子间的静电排斥力（和别的效应）修正。但在原子核中，不存在这种有序的中心物体，而是每个核子都和每个别的核子互相作用。因此，一个令人惊讶的事实是，许多原子核的性质可以由非常简单的模型来描述。部分模型将在4.3节中介绍。

我们现在知道，原先认为的核的组成部分，即核子和介子，并不是最基本的。它们本身是由更基本的粒子组成，即夸克。作为所有相互作用的统一描述的一部分，人们试图将核力追溯到（迄今仍然很大程度上未阐明的）夸克之间的力。然而，我们必须知道，像对质子、中子、介子和核那样，对自由夸克进行实验，是完全不可能的；无论如何，自由夸克的产生迄今尚未实现。另外，用最基本组成部分的属性来解释所有的微观物理现象的愿望，被这一情况阻碍了：迄今所有的原子核的实验事实，只要多于4个核子，都可以不显式引入夸克来描述。量子色动力学在核物理中的必要性和有用性，目前是一个激烈讨论的话题。从上述内容可以看出，理解原子核及其相互作用，以及和别的粒子的相互作用，是一个困难的也是有趣的任务。这一研究在多个理论层面上进行，需要广泛且详细的实验数据。在4.4节，我们将尝试定性地讨论核子-核子相互作用的一些关系以及夸克间的力和性质。

核物理的应用。除了对核的研究以及对核的衰变和反应的强相互作用的研究之外，核物理还提供了一些别的物理领域和别的科学领域的重要的应用。尽管部分应用会在后文合适的地方解释，这里也给出一个不完整的汇编，以给读者展示核物理与邻近领域科学的交叉是多么的多样和富有成果。在物理中，核物理主要是给天体物理、固体物理和材料科学提供了重要的测量方法和结果。天体物理处理的问题之一是，元素通过长反应循环或反应链的形成，其过程依赖于大量的原子核和核反应的性质，这些性质可以在实验室中测量。其中一些反应对恒星的温度和压力非常敏感，因此可以用来验证天体物理模型。需要注意的是恒星元素形成过程中产生的长寿命放射性残留物，这对于年代测定十分有用；这些内容将在4.5.6节中简要讨论。

在固体物理和材料科学领域的应用包括中子衍射方法（用来确定固体、聚合物、液体以及生物物质的结构），超精细物理学（用来研究固态反应、辐射效应、磁性）以及样品的元素分析（使用中子活化或其他核反应，以及卢瑟福散射）。最近，核衰变或核反应中产生的奇异粒子，比如正电子和μ子，也逐渐应用到固体物理问题之中。如果我们看下化学、生物或者医学，应用就极大地扩展了，比如使用放射性同位素来标记宏观分子以进行医学诊断（PET= Positron Electron Tomography，正电子断层扫描）。但是稳定同位素也会用在，比如说核磁共振方法中（化学上）或者磁共振成像中（医学上）；放射化学和核医学也是重要的学科。最重要的技术应用是用于产生电力的裂变反应堆，以及聚变反应堆。

关于本文的说明。在这一节末尾，请允许我对本篇关于核物理的导论的风格和范围做一个简短的说明。本文的重点是核光谱学测量方法和测量结果，这些方法和结果主要阐明核在基态附近的情况。在过去十年间，发现了几种重要的“基本”激发方法，在本章中只简要地解释了下。核反应这个大领域，以及中能核物理领域（高至1 GeV动能的反应），在最近几年有快速的发展，本文只会简略提及。在参考文献中会列出一些针对中高年级学生的教材和专著。虽然缺乏对核反应的完整的介绍，但是会在后文合适的位置进行解释，因为现代核物理离开加速器和核反应堆是无法想象的。核物理中常用的部分探测器种类在4.2节和第5章进行了介绍。

4.1.2 历史发展概况

核物理的四个阶段。过去90年的核物理发展可以分为四个阶段。第一阶段（1896-1932年）的特点是原子核的组成部分（质子、中子）的发现以及主要的放射性衰变的类型的发现。这一阶段核物理受原子物理与量子力学的促进，以及与其相互影响是确定无疑的。第二阶段为1930-1953年。这一阶段产生了关于核力的重要理论工作，以及有一些简单的核模型（液滴模型、壳层模型、集体模型）的发展。核在基态的许多属性，比如质量、自旋、磁矩和衰变，都得到了系统的研究。核裂变的发现及其首次技术应用使核物理变得非常流行，比如第一个裂变炸弹和氢弹的构造和应用具有突出的政治重要性。

在后续的第三个阶段（我们仍然处于这一阶段），这些想法被提炼，澄清并由丰富的核反应和光谱学实验结果支持了。关注点在于低能的“基本激发”（高至约50 MeV激发能量）及其量子力学的计算。这一阶段的特点是开发了许多强大的加速器和检测系统以及数据处理的应用。在约20年间，中能核物理（高至约1 GeV/核子的反应）建立起来了，它主要处理最轻的核子和介子态的结构。与之并行发展的是，第四个阶段开启了，逐渐关注于粒子物理的问题，以及（再一次是）宇宙学。简而言之，一方面，它涉及将核力归结到基本组成部分（即夸克）的相互作用，另一方面，它涉及核力在宇宙形成和各种类型的星体（中子星、超新星、中微子物理、核合成）形成中的角色。这一粒子物理的重新开启也由统一强力和电弱相互作用的期望所支持。

基本核组成部分的发现。在20世纪开始之前不久，贝克勒尔（Becquerel）[1]发现了铀的自然放射性，而皮埃尔•居里（Pierre Curie）和玛丽•居里（Marie Curie）[2]首次通过化学方法分离了放射性元素钋（Po）和镭（Ra）。三种元素共同的性质是发射一种辐射，可以是照相底片变黑，或者电离静电计中的空气，这可以由静电计的逐渐放电看出。这一辐射包含两种能够穿透物质的组成部分，即快速电子（β辐射）和短波电磁辐射（γ辐射），以及一种短程的组成部分（α辐射）。卢瑟福和他的同事证明了α粒子是带2个电荷的氦离子。这是通过直接测量α粒子的电荷[3]，以及观察气体放电里中和了的氦的光学光谱做到的[4]。紧随这一化学上的识别的是1911-1913年的第一次散射实验，卢瑟福、盖革（Geiger）和马斯登（Marsden）用一个准直的α粒子束轰击薄的金箔[5]。他们发现散射率随散射角ϑ增大而减小，关系是 $s i n^{- 4} (ϑ / 2)$ 。这一定律与α粒子是由点状散射中心的库伦场散射的想法是一致的，这个想法当时是令人惊讶的。散射中心就是金原子核，原子的整个质量几乎都集中在核上。这证明了原子核的存在，并为玻尔的原子模型奠定了基础。图4.1展示了盖革和马斯登的实验设计：α源（镭发射的R部分）位于铅块中；α粒子通过通道H准直，在金箔F上散射，散射之后撞击闪烁体S，然后通过显微镜M观察。闪烁体和显微镜可以绕金箔转动，因此可以测量散射率随角度的变化关系。

图4.1卢瑟福α粒子散射实验的检测装置原型。源（镭发射R），靶（金箔F）以及探测器（闪烁体屏S和显微镜M）位于真空室中，通过T抽取真空。

重元素Th（钍）, U（铀）, Po（钋）和 Ra（镭）的天然放射性发现，紧跟着对自然放射性衰变链的详尽考察，以及首次人工制造不稳定同位素的核反应[6-8]。第二种原子核的中性组成部分（中子）的发现是另一个重要的步骤。中子是由卢瑟福于1920年预测的。当轻元素比如锂、铍、硼等等，用α射线照射，Bothe和Becke在1930年检测到穿透性的辐射，他们最初解释为硬γ辐射。使用图4.2中示意的装置，查德威克（Chadwick）在1932年证明辐射由中心粒子组成，其质量接近于质子质量[9]。在铍核和α离子的核反应中，产生了一个中子，进入了电离室。中子本身并没有被检测为一个不带电的粒子，因为它不能电离填充的气体。然而，它可以与填充气体（氢气、氮气、氩气）的原子或分子发生弹性核碰撞，将它的一部分动能传递给气体。这一反冲导致了气体的电离，并产生一个电信号，电信号的强度表示碰撞的反冲能的大小。以这种方式，查德威克就用弹性碰撞定律来首次确定了中子的质量。

图4.2 电离室中 $^{9} B e (α, n)^{12} C$ 反应产生的中子的检测[9]。中子在电离室中经历了与气体原子的弹性碰撞，导致电离并在室中电极上产生电荷脉冲。

第三种粒子，π介子的发现，对于强相互作用的理解是基本的。这一发现在1947年由拉特斯（Lattes）和他的同事做出[10]。这样一种粒子的存在已由汤川秀树（Yukawa）于1935年猜测[11]，以解释在几飞米（fm）内的极其短程的核力。基于一般的场论理论考虑，两个费米子之间的相互作用可以想象为玻色子的交换，玻色子即具有整数自旋的粒子。图像化地说，这一“场玻色子”传递第一个费米子存在的信息给另一个费米子。在力的作用范围Λ和玻色子质量 $m_{B}$ 之间存在一般的关系 $Λ m_{B} \approx ℏ / c$ ，其中距离 $Λ = ℏ / m_{B} c$ 也称为康普顿波长。由约1.5 fm的核距，汤川秀树预测量级为 $m_{B} = ℏ / c Λ \approx 130 M e V / c^{2}$ (ℏ c = 197 MeV fm)的玻色子质量，因此假设一种中等质量的粒子（介子）存在，应该约为260倍电子质量，比核子轻7倍。

第一个候选者于1937年由Anderson和Neddermeyer在宇宙辐射中发现[12]：μ子。其质量是 $m_{μ} = 106 M e V / c^{2}$ ，与所需的“大使”有很好的匹配度。但是后续考察发现μ子对于强相互作用是“视而不见”的，而且也不是一个玻色子，而是像电子一样的费米子。相反，拉特斯（Lattes）等人发现[10]的稍微重点的π介子（ $m_{π} = 140 M e V / c^{2}$ ）则具有所有的作为核力中介的粒子的属性。我们将在4.4节回到这一角色。（这两种质量都是指的带电粒子的，μ±和π±，它们分别带一个基本正电荷和一个基本负电荷。另外还有一种中性π介子，其质量是 $m_{π^{0}} = 134 M e V / c^{2}$ ，称为 $π^{0}$ ）

μ子和π介子的识别以及第一次确定其质量是在研究宇宙射线的非常类似的实验中做出的[13]。宇宙射线主要是来自太空的高能质子。当它们穿透大气层时，它们制造大量的短寿命二次产物，其中一些由于其相对论性速度可以抵达地球表面，包括μ子和π介子。当这样一个粒子穿过云室或者照相胶层，它会沿其轨迹通过与云室填充气体或照相乳剂的碰撞制造出离子和快速电子，可以使轨迹可见。如果云室还位于外部磁场B中，粒子的能量、质量和电荷可以通过轨迹的曲率半径ϱ和轨迹中的离子密度确定。这利用了一个事实，即粒子动量与乘积Bϱ成正比。其中一张最早期的照相乳剂中的π介子衰变图像如图4.3所示[14]。π介子和μ子不是“稳定”粒子；它们在静止系中的平均寿命分别是 $τ (μ \pm) = 2.2 * 10^{- 6} s$ 和 $τ (π \pm) = 2.6 * 10^{- 8} s$ 。它们的衰变，正如中子的衰变一样，取决于弱相互作用的定律（见4.5.5节和第5章）。

图4.3 来自宇宙射线的带电π介子衰变为μ子的证据，通过两种离子在核乳剂中的轨迹观察到。

参考文献

[1] Becquerel, H., Compt. Rend. 122, 501, 1896
[2] Curie, P., Curie, M., Compt. Rend. 127, 175, 1215, 1898
[3] Rutherford, E., Geiger, H., Proc. Roy. Soc. A81, 162, 1908
[4] Rutherford, E., Royds, T., Phil. Mag. 17, 281, 1909
[5] Rutherford, E., Phil. Mag. 21, 669, 1911; Geiger, H., Rutherford, E., Marsden, E., Phil. Mag. 25, 604, 1913
[6] Rutherford, E., Phil. Mag. 37, 581, 1919
[7] Bothe, W., Becker, H., Z. Phys. 66, 289, 1930
[8] Curie, 1., Joliot, F., Compt. Rend. 194, 273, 1932; Nature 133, 201, 1934
[9] Chadwick, J., Nature 129, 312, 1932; Proc. Roy. Soc. A136, 692, 1932
[10] Lattes, C.M.G., Muirhead, H., Occhialini, G.P.S., Powell, C.F., Nature 159, 694, 1947; Lattes, C.M.G., Occhialini, G.P.S., Powell, C.P., Nature 160,453, 1947
[11] Yukawa, H., Proc. Phys. Math. Soc. Japan 17, 48, 1935
[12] Anderson, S.H., Neddermeyer, C.D., Phys. Rev. 54, 88, 1938
[13] In [FH79] S. 533-538
[14] Powell, C.F., Occhialini, G.P.S., Nuclear Physics in Photographs, Clarendon Press, Oxford, 1947