单位文秘网 2021-08-20 09:15:12 点击: 次
编者按:2007年初,按中国科协的规划,中国物理学会组织了一些专家学者编写中国的物理学科发展报告。这里,我们邀请参与编写发展报告的部分专家,对物理学一些分支领域的发展现况做扼要介绍,供各位物理教师参考。下文是本系列推出的第一篇文章。
作者简介:中国科学院理论物理研究所研究员,博士生导师。1963年毕业于吉林大学物理系,1963-1967年是两弹元勋于敏先生研究生,从1992年起任中国核物理学会核结构专业委员会主席和副主席。长期从事极端条件下的核结构,核天体物理中的中子星性质及核内非核子自由度的研究。主持多项国家级科学项目,其中研究项目“高自旋与超变形核态的研究”1993年获原国家教委科技进步二等奖,“原子核与超核性质的介子探针研究”1997年获原国家教委科技进步二等奖,“原子核的奇特性质及新集体转动模式的研究”2000年获教育部自然科学一等奖。
贝克勒尔1896年发现了铀元素的天然放射性,揭开了现代物理的序幕。同时,它也标志着原子核物理的起点。核物理的主要研究对象是原子核的结构、反应和衰变。一百多年来,通过核物理的研究,人们对物质结构、微观世界与宏观世界运动规律的认识不断深化;到20世纪末,核物理的发现和成果,得到过17个年度的诺贝尔物理学奖和8个年度的诺贝尔化学奖;核武器的研制与核能源的开发利用,对人类历史进程发生了巨大的影响;因此,原子核物理一直受到社会的普遍关注。下面,我们把原子核物理的发展现状,做一简要介绍。
原子核的尺寸很小,它的线度只有原子的十万分之一。但是,它的质量却占一个原子的99.9%以上。所以,我们的地球和宇宙中星体的质量,基本上都是由原子核贡献的。而恒星中对抗引力塌缩的力量,主要是来自轻原子核的燃烧过程。所以,原子核物理的研究范围,既可以小到10-15米的微观尺度,也可以大到宏观的恒星尺度。
从上个世纪30年代中子的发现起,就建立了原子核主要由中子和质子(它们又统称核子)组成的图像。这个图像,至今仍然正确。但是,由于粒子物理的发展,人们可以把一些其它的粒子,如Λ超子和Σ超子,束缚在原子核内,构成了所谓的超核。对超核的研究,已经成为核物理的一个重要领域。核子间的主要相互作用是强相互作用,又称核力。此外,弱相互作用与电磁相互作用在原子核中也扮演着重要的角色。原子核是一个由这些基本相互作用支配的有限量子多体系统,由此而建立的核多体理论独具特色。这些理论既有非相对论性的,也有相对论性的,它们仍处于不断的发展之中。
自然界存在的稳定原子核不到300种。如果以中子数为横轴,质子数为纵轴,把原子核排列起来,就构成所谓的核素图。图中的每个原子核叫一个核素。到目前,加上实验室发现和产生的各种寿命的不稳定原子核,核素的总数已经有3000多个。但是,理论预言,核素的总数应当有8000多个。对这些未知核素以及已经发现的不稳定核素进行探索和研究,构成了当代原子核物理的几个重大前沿领域,包括放射性核束物理、核天体物理以及超重元素的合成。
在核素图中(图1),所有稳定的原子核,都落在一条从左下角伸向右上角的斜线的附近。这条线被称为β-稳定线。因为,这些核相对于β-衰变是稳定的。相对于β-衰变稳定的原子核内,其质子和中子数目,都有一个比较合适的比例。当核素逐渐离开β-稳定线时,这个比例会变得过大或过小,其寿命不断变短。现有的原子核理论,基本是来自对稳定核的研究。在远离β-稳定线核区,原子核处于弱束缚状态。对于一个稳定原子核性质的描述,基本上可由其负能状态决定。但是,对于一个弱束缚体系,其性质还与正能的连续态有关。这种与连续态耦合以及其它一些因素的影响,使得原子核的基本结构和反应过程可能发生重要的变化,如出现晕结构、集团结构、新幻数、软巨共振、多反应道耦合和多步反应过程等。因此,产生并研究这些远离β-稳定线的核素,既可以扩展和深化对于原子核性质的认识,又可以对现有理论进行极其重要的检验,促进理论的发展。同时,宇宙中元素的形成和演化,大都经由这些不稳定核进行。研究这些核素的性质及它们参与的核反应过程,对于核天体物理具有非常重要的意义。而宇宙中的中子星,可以看成是一个主要包含中子(和少量质子)的巨大原子核。对中子星等致密星体的研究,已经成为核物理界与天文界共同关注的课题。这些研究构成了当前核物理的两个重大前沿领域,即“放射性核束物理”与“核天体物理”。
在核素图中,沿质子数增加的方向发展,当原子序数接近和超过100时,核素的寿命越来越短。但是,理论预言,在原子序数为114附近,可能会有一些长寿命甚至稳定的核素。一般地,人们把103号以上的元素称为超重元素,把114号元素附近的长寿命的核素构成的区域,称为超重稳定岛。合成超重新元素、攀登超重稳定岛是自然科学的一个基本问题,也是对一个国家科研水平的重要检验。从上个世纪的中后期开始,国际上的几个大实验室展开了激烈的竞争。个别国际著名的实验室里还出现了有人假造合成116号和118号元素数据的丑闻。目前,实验室已经合成的111号(及其以下)元素已经得到国际组织的命名。但是,已经合成的这些核素的寿命都很短,并且随着原子序数的增加寿命仍呈降低的趋势,生成超重核的难度也越来越大。因此,如何寻找和到达超重稳定岛,仍然是一个国际上备受关注的重大科学前沿领域。
在原子核物理的历史进程中,演化出基本粒子物理这一姊妹学科。反过来,基本粒子物理的发展,又促进了核物理研究的深入与扩展。现在,人们已经认识到,核子是由夸克和胶子组成。因此,从物质结构的更深层次,即夸克和胶子层次,来研究原子核,研究核子的结构及其相互作用,构成了核物理的另一个重大前沿领域。同时,它也是原子核物理和粒子物理的交叉领域。
用具有一定能量的粒子,轰击另一个原子核,观察它所发生的变化,是研究原子核的重要手段。这个相互作用的过程,就是原子核反应。可以用作入射炮弹的,除中子、质子、氘核、α粒子和电子外,粒子物理的发展为人们提供了多种基本粒子,如π介子、K介子、μ子以及超子等,作为研究原子核的探针。另一方面,重离子(即比氦重的原子核)加速器的出现与发展,实现了两个重原子核之间的反应,使核反应的种类大为丰富,为核物理开拓了更为广阔的发展空间。前述的远离β-稳定线的核素和超重元素,都是以重离子加速器为主要的实验设备。通过各种重离子反应,还可以产生多种奇异核态,如高速旋转的原子核,转动速度可达1022次/秒,是目前自然界中最快的转动。高速转动的原子核中出现了很多奇特的性质,对它们的研究,构成了“高自旋物理”的主要内容。
当重离子加速器的能量进一步提高,使被加速的原子核的速度接近光速时,就可以把两个很重的原子核挤压在一起,以至于可能把核子的界限打破,使囚禁在核子内部的夸克和胶子脱逸出来,形成所谓的夸克-胶子等离子体(quark-gluon plasma,简称QGP)。这是一种全新的物质形态。探索产生QGP的途径,研究它的独特性质,构成了核物理与粒子物理和宇宙学交叉的又一个重大前沿领域。
针对上述重大前沿领域的研究目标,从上世纪末到本世纪初,国际上一批大科学装置已经建成或正在兴建。如美国的高能强流连续电子加速装置CEBAF,可从夸克层次研究原子核;美国的相对论重离子对撞机RHIC和西欧核子中心的大型强子对撞机LHC,是研究QGP的主要设备;美国、欧洲、日本和我国已经建成和正在兴建的几个大型的放射性核束装置和升级改造的重离子加速器(图2给出了我国的大科学工程——兰州重离子加速器冷却储存环主环),为“放射性核束物理”、“核天体物理”和超重元素的合成,奠定了良好的基础。在如此短的时间内,有这么多的大科学装置投入运行或即将投入运行,这是核物理发展历史中前所未有的局面。它必将为核物理提供前所未有的发展良机。
同时,核物理和核技术与其他学科的结合,如应用中子与轻、重离子进行的原子、分子物理,材料科学,生命科学和医学等方面的研究,都在迅速发展并形成许多门类的交叉学科。核武器与核能源,仍然是当今世界各国普遍关注的重大问题。这些广泛的社会需求,也给予了核物理巨大的推动力量。
因此,抓住前所未有的发展良机,借助社会发展给予的巨大推动力量,我们期待核物理在21世纪再创新的辉煌。
(栏目编辑廖伯琴)
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