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核物理进展

（二）核内非核子自由度的研究

1.π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同时，核结构理论又从核内非核子自由度

的研究中得到了新的进展。

以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取

得了一定的成功，但毕竟还有一定的局限性。

首先，这些模型都只是从部

分实验事实或观测现象出发，从某个侧面用类比方法反映核子系统的机

制。

此外，在核反应理论中，所引入的可调参数又太多。

可调参数越多，

说明这个理论离成熟性与完整性越远。

再加上现有的各种核模型间缺乏统

一的内在联系，它们不是一个包容另一个，而是彼此独立，相互间关联甚

少。

追究起来，存在这些问题的原因是对核多体系统的认识有关。

按传统

认识，核内的核子只是一个无结构的点，核仅由这些被当作为点的核子组

成，即原子核只存在有核子自由度，核子之间的作用单纯为两点间的作用。

事实上，早在30年代，有人就预言了核内存在有非核子的自由度。

1932年，查德威克发现了原子核内除了质子外，还有中子以后，很快

地，海森伯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，汤川秀树发表了核力的介子场理论，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

宇宙射线中被发现。

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

介子自由度以及各种核子的共振态△、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。

对这些自由度

的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容。

多年来，人们一直在寻求着核内存在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粒子束。

为避免强相互作用带来更多的不确定性，人们选用了入射光子的方法。

近

年来，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过程的反

应截面。

结果发现，在入射光子能量Er≤50MeV情况下，认为核只具有纯

核子自由度的计算结果与实验符合，偏差只有10%左右；然而当Er＞50MeV

时，纯核子自由度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3He形状因子的研究实验。

实验结果表明，在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△自由度的影响，才能与实验符合。

这个

实验不仅证明了核内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，非核子自由度问题的重要性更为突出。

2．夸克自由度

从40年代末到50年代初，随着世界上各大型加速器的投入运行，粒

子物理逐渐从核物理中分化了出来。

本世纪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年代初，格拉肖、萨拉姆和温伯格将

弱、电相互作用统一在SU

（2）×U

（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。

粒子物理的另一个著名成就是夸

克模型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有效的途径。

低能强子

按SU（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，色相互作用是强相互

作用的起源，而传递色相互作用的8个媒介子就称为胶子。

实质上，强相

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，原子核的核子应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-

反夸克对胶子组成，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，核内的核子处

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？

它们都参与什么作

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。

目前还不能严格地用量子色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间的相互作用力出发，采用类似传统的独立粒子壳层

模型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”，而不考虑夸克的禁闭性质。

根据这一模型，夸克

的色自由度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

核子数相同，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？

原子核内的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。

3．高能轻子非弹性散射实验——EMC效应

传统的原子核的质子-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，根据标准模型预言，原子核是由若干核子、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夸克集团，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”

和有效质量变小等。

此外，禁闭在核内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有效的方法就是用“探针”探测。

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，分辨核内微小尺度的能力越强。

此外，最好采用电子和μ子等

非强子作探针，以避免强相互作用干扰，因为至今对强相互作用的了解不

如电磁相互作用那样清楚。

对于实验的结果，有人预计，当用能量高达几

个京电子伏的高能轻子打入核内时，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，即核子的结构函数。

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，这种弱的束缚不会

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么差异。

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

高能物理学家，组成了欧洲μ子实验合作组（EMC组），进行了带电轻子

深度非弹性散射实验。

他们使用的高能轻子为电子、μ子和中微子，轻子

与核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《物理

通讯》杂志上①。

实验得到了铁原子核结构函数与氘核结构函数的比值，

发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值x的函数，当x在一定的范

围（布约肯区）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，比值偏离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

响到束缚在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

斯坦福直线加速器、德国的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

许多其它重要发现一样，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，这就是原子核内核子的亚结构与一般自由核子的亚结

构有明显的不同。

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

坦福直线加速器实验室（SLAC）就有一个用高能电子测量核子结构函数的研

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、液氘的容器是钢和铝的，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

核子的结果相比较。

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

探测粒子、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

再一次令人信服地证实了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，对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≤x≤0.2）

对不同的核（12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn）进行了测量。

结果发现，在0

≤x＜0.1时，结构函数比值小于1，有明显的遮蔽现象；而在0.1≤x≤0.2

时，结构函数比值大于或等于1，有较弱的反遮蔽现象，而且遮蔽现象随

不同的核而不同①。

伯格（E.L.Berger）等人对这一现象做出了解释②。

他

们先从传统的核子-介子模型出发，同时考虑了核子的费密运动修正，认为

遮蔽现象来源于核子造成的“影子”，即入射粒子“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移给靶核

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到，禁闭在

核“环境”中核子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子之外，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，夸克禁闭长度增加就越大，这一效应就越明显。

对EMC

效应的这一解释先后由卡尔森（E.E.Carlson）①及克洛斯（F.E.Close）②

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，夸克自由度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

①，他们用800GeV的高能质子轰击不同的靶核所产生的双μ子实验，测定

了靶核内海夸克密度分布变化。

结果表明，在布约肯变量范围0.1＜x＜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组分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重离子核物理②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、胶子自由

度的核效应以及夸克、胶子自由度与核子、介子自由度的关联终将会被揭

示出来

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《原子核物理进展》

中国原子能科学研究院丁大钊、陈永寿和张焕乔三位研究员编著的《原子核物理进展》，是一本全面介绍核物理前沿的专著。

该书对近10年来原子核物理的主要成就及下世纪初三个重要的发展研究领域做了系统的论述，并适当结合作者和我国其他科研工作者的研究成果。

它可引导青年研究者直接达到原子核物理学的最前沿。

对于从事天体物理、粒子物理、凝聚态物理等方面研究的研究人员，本书也极具参考价值。

恰逢天然放射性发现100周年及王淦昌教授90华诞前夕，正是王教授的学生编……

　　朱光亚教授为本书所作的序言对原子核物理学的产生、发展、与其他学科的交叉、及下一个世纪的展望做了极好的描述。

原子核物理研究的基本问题包括：

核的构成及“版图”是怎样的？

核子间相互作用及其表现形式是怎样的？

核的转化规律是怎样的？

……随着加速器技术、探测器技术和计算机技术的发展，人们可以获得更高能量及各种种类的离子（包括放射性离子），它可用作炮弹去轰击各种不同的原子核（靶核），产生各种核反应产物，从而研究原子核物理学的各种基本问题。

促使原子核物理学在更高激发能、更高角动量和更大同位旋等的自由度内不断开拓新领域。

　　本书基本上是围绕着这个发展主线来描述的。

全书共分八章，第一章绪论，概述了80年代以来原子核物理发展的主要成就，并展望今后可能取得重大进展的前沿方向，非常值得普通读者一读。

第二至第五章分别论述了核结构和亚位垒融合及核裂变理论方面的最新成就。

第六至第八章分别论述了下世纪初期原子核物理研究的三个前沿领域：

中高能核－核碰撞，亚核子自由度研究和放射性束物理。

　　核结构一直是原子核物理学研究的中心课题之一，在证实原子核由质子和中子组成的假设并建立了核的壳模型和集体模型以后，出现了两个新领域——原子核的高自旋态研究和巨共振研究，揭示原子核在快速转动和具有更高激发能时的核结构特性。

最近几年随着放射性核束装置投入使用，当强烈改变核内中子数和质子数平衡，推向质子滴线和中子滴线时的原子核结构特性已引起人们的极大兴趣。

本书第二、三章详细介绍了这些方面的新进展和发展前景，详细介绍了高自旋态研究中发现的回弯现象。

有些现象的物理内涵至今还没有搞清楚。

特别地，为了便于读者理解，作者对于巨共振的一般知识和各种巨共振模式做了系统介绍，并着重介绍了新的中子晕核产生的软模式巨共振，建立在激发态上的巨共振，巨共振的各种衰变方式，原子核自旋同位旋激发，磁巨共振，高温转动核的巨共振等前沿课题。

　　核裂变的发现是原子核物理基础研究的产物，并已得到了广泛的应用，但是有关核裂变的许多问题尚未完全搞清楚，一直还是原子核研究的一个重要方面。

本书第四、五章论述垒下重离子融合裂变反应和原子核裂变，也提到了作者在这方面的近期成果，内容丰富，有的现象用理论解释还有偏差。

作者也介绍了最近少量有关中子晕（皮）核的近垒和垒下裂变反应的实验及两种相反的理论预言，并预计这方面研究将开辟重离子核反应的新方向。

对通常原子核的裂变反应以及现有的核裂变的液滴模型、裂变道理论、裂变理论的壳修正、核裂变的扩散模型、用多维输运过程来研究裂变动力学以及裂变理论中的量子修正，书中都有介绍。

并对形状同质异能态现象、裂变中的延迟现象等实验及其理论进行了详尽的描述。

对耗散裂变从唯象描述到微观理论的发展，作者给出了一个极好的展望。

对裂变过程中的时标和核的粘滞性直到裂变理论和相关的非平衡态理论的关系也有很好的描述。

　　从第六章开始本书着重描述下世纪原子核物理可能会取得重大进展的三个前沿领域。

第六章是有关中高能和相对论性核－核碰撞的，其中重大课题有：

核物质的状态方程；核物质相变，包括液气相变和夸克－胶等离子体（QGP）的产生；热核性质和多重碎裂衰变的新模式等。

宇宙初期大爆炸时可能产生QGP，这是人们从未认识过的新物态。

作者从介绍核态方程的一般知识开始，进而较为详细地介绍了理论研究的现状，包括玻耳兹曼－乌林－乌伦贝克（BUU）方程，量子分子动力学方法（QMD）及核－核碰撞的输运模型的蒙特卡罗模拟，然后描述中高能核－核碰撞的有关实验及其解释。

最后详细地介绍了QGP产生的有关实验和实验上诊断QGP产生的方法。

对QGP的研究将对原子核物理，粒子物理和天体物理产生重大影响，但到目前为止，还没有一个实验明确表明QGP的存在。

人们期待着20世纪末美国相对论性重离子加速器RIHC的运行及其实验结果。

除了通过观察中子星和超新星爆发可以获得部分有关高温高密核物质的信息外，中高能核－核碰撞是目前实验室中研究高温高密核物质的唯一途径，这方面将有许多新的结果出现。

　　自80年代放射性核束装置问世以来，人们发现了中子晕核等一系列新现象。

国际核物理学界普遍认为，放射性核束物理，包括它在天体物理和其他相关学科的应用是今后一个较长时期内原子核物理学重要的前沿领域之一。

本书第七章对放射性核束产生的方法和有关装置做了详细的介绍，特别介绍了我国学者提出的兰州重离子加速器冷却储存环装置和北京放射性核束装置。

这是一个方兴未艾的新领域。

许多发现对传统核理论模型提出了尖锐的挑战。

利用放射性核束进行的核反应和传统的核反应有很多不同之处，特别是一些学者提出用这种核反应来合成超重元素，从而扩展人们已经知道的元素种类，放射性核束将大大提高人们合成新元素并研究这些新核素的性质的能力。

自然界除了200多种稳定核素外，理论预言大约还有6000个以上的不稳定核素，到目前为止人们合成了其中的2000多个，放射性核束将使人们更容易去合成这些未知的核素，特别是当这些核素越来越接近于中子滴线和质子滴线时，将表现出许多新奇的性质，发现并解释这些性质将是对原子核物理学的重大挑战。

　　放射性核束的产生和应用还打开了核天体物理学的新局面，它主要研究宇宙和天体中各种元素及其同位素的核合成机制、时间、物理环境和宇宙场所。

核反应在天体演化和宇宙演化中起着极其重要的作用，它是恒星和超新星爆发的主要能源，导致了天体和宇宙中各种化学元素和同位素的产生。

迄今为止，天体物理学感兴趣的一些核反应的截面及其随能量的变化，多半是通过理论计算或是从较高能区的实验数据外推到天体核反应发生的能区而得到的，而且特别缺少不稳定核的数据，放射性核束正好可以填补这个空缺。

实验核天体物理学正在进入一个以放射性核束引起的热核反应为重点的新的发展阶段。

书中对宇宙大爆炸后初始核合成，主序星和高温天体环境中氢的燃烧，天体中比较重的元素的合成所需的核反应及相应的实验方法都做了介绍。

　　本书的最后一章是有关原子核亚核子自由度及量子色动力学（QCD）的。

目前人们普遍相信基于夸克和胶子自由度的量子色动力学是强相互作用的基本理论。

组成原子核的粒子是由三个夸克构成的体系，因此原子核的运动和作用规律必然反映比核子更深层次的物质规律。

原子核物理的最终目标是把核介质现象与夸克胶子及相应的QCD理论联系起来。

因此它将是今后很长一段时间内原子核物理研究的中心之一。

本章较为详细地介绍了已取得很多成功的核力的介子交换理论，表明原子核的性质不仅由质子与中子组成的量子多体系统及集体运动决定，还必须引入亚核子自由度，即介子、核子共振态以及反核子等强子自由度，进而阐述了核多体问题的相对论粒子－介子模型及其在核结构和奇异核研究方面取得的成功。

然后又简短地介绍了在粒子物理学中取得成功的夸克模型，强相互作用的量子色动力学（QCD）和把QCD及电弱相互作用理论结合构成的基本粒子理论的标准模型。

　　在此基础上，作者还详细介绍了正在逐步形成学科前沿的核色动力学。

目前主要向两个方面进行探索，即利用夸克和胶子自由度对高能（即短距离）过程的强子和核性质及动力学进行探索；研究在低能（长距离）时QCD的性质。

这是对强子、核力和其他重子－重子相互作用及核现象的描述。

这部分内容涉及原子核物理的根本基础，在这个方向上原子核物理正在和粒子物理发生交叉，无疑这对于人们更好地理解分子－原子－原子核－核子－夸克等物质结构“链条”中各部分的作用及其相互关系起到极大的推动作用。