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1、原子核由质子和中子构成迄今为止，已发现的稳定原子核265种，60种天然放射性核，人工合成有2400种核，然而在核素图上，由中子滴落线、质子滴落线及自裂变半衰期大于1s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认识。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消耗重金搜索的目的。然而，随着远离稳定线，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核物理学中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
2、的核结合能极大，有新的衰变方式，如高能衰变、延迟粒子发射、延迟衰变、外表结团构造、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，现有的核构造模型，大部分是在稳定线附近几百种核研究基础上建立起来的，如液滴模型、独立粒子核壳层模型、核集体模型等，它们都有待在远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构造的研究，会不断地有新的现象被揭示，人们对核内部的构造以及运动规律的认识也将不断地深化。此外通过对远离稳定线原子核的研究，还可能找到某些新的同位素和核燃料，为核能与核技术的应用提供新的能源
3、。总之，核物质新形态的研究是一个特别广阔而又值得探索的新领域，这一领域中的任何新的进展都将能推动与它有关的原子物理、天体物理、核化学以及放射化学的进展。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夸克-胶子等离子体的研究。原子核重离子核物理这是近30年来，在核物理学研究中一个特别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构造与变化时，只是利用质量小的轻离子，如氦核、氘核、质子、中子、电子和射线等轰击原子核，这一研究已获得了多方面的成果。从50年代到60年代中期，随着加速粒子能力的提高，人们开场使用高能碳、氮、氧核去轰击原子核，主要进行的
4、是弹性散射与少数核子转移反响。从60到80年代，重离子核反响开场逐步成为获得人工超钔元素的主要手段。近20年来，大约以每年发现3040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的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，整个铀238离子的总能量到达35GeV。在这个能量上，离子速度到达了光速的二分之一。LBL的这一创举，不仅创始了相对论重离子物理学，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，一些冲动人心的奇特现象引起了物理界的高度重视。LBL得到的高能铀离子是由一台称为贝瓦莱克Beva
5、lac的加速装置获得的。这台加速装置由两部分组成。一部分是高能质子同步加速器，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库仑作用，被紧紧地束缚在原子核外的内层，Bevalac先使铀原子部分电离，构成带少量正电荷的铀离子。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，而构成带较多正电荷的铀离子，例如U68+。再使U68+继续加速，再使其通过聚酯树脂薄膜，得到U80+和U81+的离子混合物，最后再经过一层
6、厚的钽膜，全部电子均被“剥净，进而得到了绝大多数的裸铀核。应用高能重离子能够研究核裂变的异常行为。在一般的原子核中，库仑力与核力起着互相制约的作用。若核力较强，原子核比拟稳定；若库仑力较强，核就容易裂变。由于中子只介入核力作用，似乎增加中子数可保持核的稳定，然而，核力的力程极短，随着距离增加，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。可裂变的铀核正处于核力与库仑力相抗衡的状态，它们略微遭到接触就会裂解，之后，库仑力占优势，使核裂片相互分离。在Bevalac中产生的相对论性高速铀核就能够用来研究高能下核裂变行为。果然，把高能裸核注入乳胶探测器中，通过对径迹分析
7、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，有半数事例的铀核分裂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，这种粉碎的事例越多，这类事件是高能核裂变的一种反常行为。用类氦铀原子还能够对量子电动力学QED进行检验。根据量子电动力学，原子体系的跃迁能量能够用一个数学式表述，这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精细构造常数。过去，在把这个表述式用于氢和氦等简单原子时，由于较高阶项带来的修正在实验中不易被发觉，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
8、情况下，将对 QED的理论进行高阶次的检验。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。当它们穿透物质时，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。一些高能重离子实验表明，大约有3%5%的核碎片属于畸形子。有一种讲法以为，它们可能就是一种“夸克-胶子等离子体。在这类等离子体中，中子、质子已被毁坏得失去原来的特性，只剩下一团夸克和体现夸克间互相作用力的胶子。包括LBL，世界上共有4台高能加速器作为重离子核反响的研究基地。到1982年为止，LBL已经能加速直到铀元素的全部重离子；美国
9、布鲁克海汶国家实验室BNL能够把16O、32S、192Au加速到15GeV/NeV/N为每核子电子伏；欧洲原子核研究中心CERN能够把16O、32S加速到60GeV/N；美国布鲁克海汶国家实验室拟在1996年建成的相对论重离子对撞机RHIC，投资4亿美元。它建在本来为建造质子-质子对撞机所开掘的隧道里，隧道周长3.8km。它包括两个宏大的超导磁环，最大磁场3.8T，能够使质量数小于或等于200的离子能量到达100GeV/N。它的一个重要目的就是研究在高温、高密条件下，实现普通核到夸克-胶子等离子体的相变。在今后的20年内，相对论重离子物理可望获得重要进展。原子核重离子研究(1)探索夸克-胶子等
10、离子体QGP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重要研究方向之一。它主要是研究在极高温度到达1012K，即太阳中心温度的 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-胶子等离子体的相变。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。假如讲，上一世纪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，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得
11、以解决，那么，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来。当前，描绘自然界四种基本作用的理论是，描绘强互相作用的量子色动力学QCD，描绘电-弱互相作用的 SU2U1的模型理论，描绘引力作用的广义相对论，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这两个谜相关，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，固然在极短的时间内，离子之间无重子分布，是一种物理真空区域，但是它却比一般的真空能量密度高得多，因此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，又根据核的相变理论，
12、在正常温度TN和正常密度N条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度到达2N时，可能出现凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度到达5N左右，单个核子产生很多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度到达10N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，夸克与夸克间互相作用粒子组成夸克-胶子等离子体QGP。固然这种理论分析尚有很多不确定因素，却引起了很多人的兴趣。人们一致以为，高能重离子反响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，核碰撞质心能量要到达10
13、0GeV/N。估计在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将能知足这一要求。(2)格点规范场理论对相变条件的预言为探索夸克-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，相变即可施行。然而这种方法仅只是一种估算，准确的方法应采用格点规范理论。在强子尺度的小范围内，研究夸克的物质运动规律时，量子色动力学采用了微扰展开的方法，这种微扰法获得了很大的成功。但是在大于强子的尺度上，夸克-胶子的等效互相作用强度并不小，由于交换动量的结果，使夸克-胶子体系
14、产生了各种非微扰量，原来的微扰法不再适用。在强互相作用中，这种非微扰效应表多方面。从粒子的质量看，质子的质量恰好是938MeV，粒子的质量是1236MeV，0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、磁矩、构造函数甚至真空构造等，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，是粒子物理学中特别重要而又未被完全开发的领域。1974年，美国康奈尔大学的威尔逊K.G.Welson提出了格点规范场理论，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
15、，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作用量具有规范不变性。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，与连续时空的渐近自由相对应。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，十分是那些非微扰量了。事实上，微观世界中的微扰量与非微扰量本是人为地划分出来的。当认识水平未到达一定的层次时，先讨论微扰量只是一种对复杂事物的简单处理方法。格点规范场理论的建立表明，人的认识水平又向更高层次迈进了一步。此外，由于粒
16、子物理与统计物理的研究对象都是有无穷多自由度的体系，格点微扰理论把它们之间的类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，由于每个格点有四个正方向共四个键，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个格点的四维立方体，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，使讨论对象具有群积分的性质，能够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，即蒙特卡罗数值计算法，计算了这些群积分
17、，不仅初次得到了介子、质子、粒子等强子的质量，而且还得到了介子衰变常数以及标志手征对称性自发破缺不为零的数值。以后，又有人用同样方法计算出更有意义的结果，例如证明了两个重夸克之间的位势随距离的增加，呈现由库仑位势向线性位势的变化。这一结果证实了夸克之间距离加大时，存在有越来越大的作用力，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，即高能粒子互撞时，夸克的自由能忽然加大。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，到达这一条件相变即有可能发生，这一结果确实给人极大的鼓舞。原子核实验尝试1986年，欧洲原子
18、核研究中心CERN在SPS加速器上初次进行了60GeV200GeV/N的氧束流冲击重靶的实验，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，-实验；费密实验室的p-p实验，固然能量很高，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，固然粒子足够重，但每个核子的能量只要1.8GeV，这个值又太低，使碰撞区的温度不够高。还有的固然能量足够高，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，发现了人们所等待的“J/抑制效应，它是QGP存在的迹象之一。根据理论分析，J/粒子有三种衰变方式
19、，它可能衰变成两个电子，e+和e-；还可能衰变成两个子，+和-；或者衰变成强子。在高能碰撞中，强子可以能产生J/粒子。J/粒子能够看作由c和粒子组成，自由的c对存在有束缚态。当有QGP产生时，由于德拜屏蔽效应的存在，会抑制c束缚态的出现，因此不能组成J/粒子，或者讲J/中产生的几率下降，于是J/中粒子产额抑制现象常被当作为QGP出现的信号。CERN使用的是200GeV/N的32S打击238U，所构成的体系可能是发射介子和K介子，可以能发射J/粒子，J/粒子又可能再衰变，通过衰变粒子，如+和-，来判定J/粒子的产额。在碰撞区构成一团火球，边缘地区的J/粒子产额竟然是火球中心的1.6倍，由此断定，
20、碰撞中心出现了J/抑制，即有产生QGP的迹象。另一个显示出现QGP迹象的实验是在美国布鲁克海汶国家实验室进行的，这是测定K+/+比例的实验。他们使用了14.5GeV/N的28Si束打击Au靶，观测K+与+产额之比，并与质子对撞情况相比拟。他们以为，假如有QGP产生，+、K-和+产额将减少，至多是不变，而K+的产额却要增加，这样一来，有QGP时，K/+产额比值应加大。他们的实验结果是：28Si打击Au后，K+/+产额比值由质子对撞时的0.07上升为0.20，而K-/-的比值则与质子对撞时一样。重离子对撞实验是很复杂的。根据理论计算，在现有的条件下，对撞区的温度可到达200MeV左右，这个温度在相
21、变临界温度附近，所构成的火球的横向半径大约有4.38.1fm(1fm=10-15m，径向半径约有2.65.6fm。一个碰撞事例往往能够产生500个以上的次级粒子，处理这样复杂的事例以及处理如此大量的特征信号是件极为困难的事，因而，通过上述特征估计 QGP的构成仍只是一种试探。即便如此，由于理论物理学家已给出相变存在的可能性，也由于实验物理学家又较成功地处理了如此复杂的反响事例，还由于相对论重离子碰撞实验已到达了理论预言的能区，更由于这项研究目的所具有的深远的意义，这一切都使得夸克-胶子等离子体的研究成为核物理学前沿的热门课题之一。原子核奇异核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
22、统，又称奇异核，例如超核、超核以及反质子核等。只要超核为实验所肯定，已开展了一些超核谱学及生成超核机制的研究。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，再通过发射带电介子和一个质子衰变，碎片衰变的特征与理论上意料的超子完全一样，因此认定这个碎片就是包含超子的超核。超子是最轻的奇异重子，根据强互相作用要求，它的奇异数与重子数守恒，因此超子在核物质中相对强互相作用是稳定的，只能产生弱互相作用衰变。超核与超子有几乎一样的寿命，因此在实验中能够比拟容易地观察到
23、超核。已经在实验中观察到几十种超核以及包含两个超子的双超核，甚至包含若干个超子的超核。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构造与强互相作用的认识。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。奇异核伴随有奇异的现象。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：衰变、衰变包括电子俘获经过、衰变包括内变换经过和自发裂变等，奇异核则除了上述方式外，还有一些奇异的衰变方式。例如，奇异核衰变可释放很高的能量，经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
24、核仍有可能把多余的能量释放出来，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，同时有三代核素介入，然而由于第一阶段的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半衰期，故常把这种放射性称为延迟粒子发射，或缓发粒子发射。其实，早在1916年卢瑟福Ernest Rutherford，18711937和伍德Robert Williams Wood，18681955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粒子中，混有少量具有较高能量的长射程粒子，这实际上就是衰变缓发粒子。固然他们观察到这个现象，却不明白其成因。直到1930年，伽莫夫GeorgeGamow，
25、19041968也观测到了这个奇特的现象，才对它做出了解释。伽莫夫以为212Bi先经过衰变到212Po，假如212Po处于激发态，它再放出带有该激发态能量的粒子，这部分激发态能量转化为粒子的动能，因此具有较高的能量。假如处于激发态的212Po先经过发射回到基态，就会发射低能量的粒子。212Bi就是缓发粒子的先驱核，而末态核发射粒子后变为218Po，就是缓发粒子的子核。卢瑟福、伽莫夫等人所观测到的缓发衰变仅只是一种天然放射现象。1937年，列维斯第一次人工地产生了延迟发射的先驱核8Li。1939年，罗伯茨又在中子轰击铀的实验中，初次探测到了延迟的中子发射。50年代末，卡尔诺克霍夫初次观测并鉴别出
26、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，由于实验技术的发展，又陆续发现了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22Al的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11Li延迟3He和3H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
27、进展。1984年，牛津大学的一个研究小组发现了一个奇特的现象。223Ra的衰变半衰期通常为11.4d，然而在这种衰变中，他们却发现了能量在30MeV的14C离子。这一现象出现的几率很小，大约在109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222Ra、224Ra和226Ra的14C衰变；230Th、231Pa、232U、233U和234U的24Ne衰变以及234U的28Mg衰变。这一放射性所发射的实际上是核子集团，进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
28、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，略微偏离这种变形，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。根据这一模型，除了核子能够在核内运动外，原子核还能够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，这些能量又不是连续的。通过大量的稳定线附近的核研究，人们已经找到了核的能级分布与形状间的关系。当核转动时，假如形状发生变化，转动惯量相应改变，就会导致
29、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，某些核能够有不同的形状，它们对应着不同的能级，有一组建立在球形基态上，能级的间隔较宽；另一组开场的间距较小，后来越来越大，它们对应着硬变形核的转动和振动。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，使过去曾被以为截然不同的异形核与变形核之间找到了某种联络。核的变形程度通常用一个参数描绘。近似等于核长短轴之差与两轴平均长度之比。典型变形核的值在0.20.25范围。在0.350.4范围时，称为超变形核。超变形核的第一激发态能级往往很低。值及极低的第一激发态成为超变形核的两个判据
30、。早在1981年，摩勒和尼科斯就曾根据对奇异核研究的结果从理论上预言，中子数和质子数在38附近的核，属于自然界中最强变形的核。果然，人们在远离稳定线区域检验球壳层模型中发现，质子数和中子数都接近幻数40的核，如74Kr、76Kr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，通过弹核破裂的反响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响及其性质。原子核历史编辑播报发现电子的约瑟夫汤姆孙是第一位阐述原子的内部构造的人，其原子模型称为梅子布丁模型，物理学家们还发现，三种类型的辐射来自原子，它们命名为、和辐射。1911年由为莉泽迈特纳和奥托哈恩，由詹姆斯查德威克在1914年发现了衰变谱是连续而非离散。原子核将来发展编辑播报研究超重原子核和超重元素,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和中子数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号及之前的超重元素。其中116号、114号和113号下面的新元素已被命名。利用重离子熔合反响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合,探索超重原子核性质与合成机制,以登上超重稳定岛。2