原子核物理

　　一谈到原子核物理，有人就会感到害怕，因为很多人会从原子核物理想到原zidan的巨大破坏力和放射性污染。原子核物理是研究原子核的结构和变化规律，获得射线束并将其用于探测、分析的技术，以及研究同核能、核技术应用有关的物理问题。简称核物理。

原子核

　　也有人对原子核物理感到新奇。是啊，物质由原子组成，这点谁都知道。可是，谁能拿出一个原子来看看呢?那小得不能再小的微粒到底是什么样子的呢?它那神秘莫侧的巨大能量，又是从哪里来的呢?它怎么会有放射性的?原子核都有放射性吗了……多少年来，就是这些间题吸引了无数原子核物理学家。

　　很早以前，人们把原子当作组成物质的Z小微粒。“原子”这个词的希腊文原意，就是“不可分割的”。直到1911年，人们才认识到，原予并不是不可分的，而是由更小的原子核及环绕原子核运动的电子所组成。1932年，又进一步发现了原子核是由中子和质子组成的。

　　不同的原子核中，质子数和中子数都是不同的。到现在为止，人们在自然界里，已经找到了300多种原子核，又用人工方法制造出了1600多种原子核。原子核的大小只占整个原子体积的万分之一，而质量却占整个原子质量的99%以上。

　　这种情况使人们认识到，原子的结构是很松的，而原子核的结构却是很紧的。实验证明，每1立方厘米原子核，质量就达到1亿吨。也就是说，1立方厘米的原子核，要用1万艘万吨轮来运载!

原子核物理主要研究

　　1、强子物理

　　强子，包括介子和重子，是能从物质中分离出来的、已观测到的具有内部结构的Z小单元。强子内部的夸克–胶子结构以及可能存在的新强子态是当今人类正在探索的物质世界的Z微观部分，是中高能原子核物理和粒子物理共同关心的交叉前沿热点。

　　2、核物质性质和相图

　　得益于现代加速器和探测器技术的高速发展，高能原子核物理在过去几十年取得了巨大的成功。国际社会和政府的持续高投入，使得大科学装置的建设和连续运行得到保障。

　　一些重大的前沿学科问题也正在得到逐步的攻克。然而要彻底搞清楚核物质在不同温度、密度下的性质和相图，仍有一些关键的科学问题没有解决，这些问题将成为今后研究的热点和难点。

　　3、核结构和动力学

　　当今核结构与动力学的前沿研究主要针对不稳定原子核，称为放射性核束物理或稀有同位素物理等。

　　自1896年核科学诞生以后直到20世纪80年代初，人类研究的原子核(核素)只有几百个(其中稳定核不到300个)，这些核通常有比较大的结合能(平均每个核子若干MeV)，因此可称为深束缚原子核(或稳定原子核)，它们的结构基本上可以通过平均场、壳模型等加以描写。

　　自1985年在美国伯克利国家实验室的放射性束实验开始，人类研究的核素数目迅速扩大，目前实验上已产生了近3000种，而理论预言总共有8000～10000个核素。不稳定线原子核的结合能逐渐减小，直到Z后一个核子结合能为0的边界(滴线)。

　　在滴线区，原子核成为弱束缚的开放体系，体积可以大大扩张，结构形态和有效相互作用的性质发生显著变化，传统核理论的描写面临根本性变革。在初期的研究中已有的重大发现包括：三体力和张量力等在非稳定核有效相互作用中的突出作用;幻数和壳层在非稳定核区发生系统演变;晕和集团等新的结构自由度在滴线区明显加强;软巨共振等新的集体运动模式;核反应中的多步过程和强耦合效应;同核异能素大量出现，等等。

　　远离稳定线核的研究，又与平稳和爆发性天体过程以及核物质状态方程密切相关，涉及当今国际重要前沿交叉科学问题。合成超重元素、登上“超重核稳定岛”，是人类半个多世纪以来的梦想。非稳定丰中子核的大量产生和深入研究，特别是关键丰中子核的熔合反应或大质量转移反应机制的研究，有可能提供进入“超重核稳定岛”的新途径，实现重大突破。

　　在原子核稳定性极限区域探索新现象、新规律的基础研究，必然产生众多新的核样本和核数据，引起实验方法和技术的重大变革和创新，从而有可能在核材料、核能装置、核探测等方面带来难以估量的重大应用。

　　4、核天体物理

　　浩瀚无垠的宇宙中无数闪闪发光的恒星都有形成、演化和死亡的过程。由于恒星内部热核反应释放出来的辐射能量形成向外的压力抗衡引力收缩，导致恒星流体静力学平衡的演化过程非常缓慢。

　　一颗类似太阳的恒星一旦形成，在大约1010年的时间内不会发生人们可直接观测到的显著变化。这些核反应不仅是恒星的能源，也是宇宙中除氢以外所有化学元素赖以合成的唯yi机制，在原始大爆炸后Z初几分钟至恒星寿命终结的宇宙和天体演化过程中起着极为重要的作用。

　　原子核天体物理是研究微观世界的原子核物理与宇观世界的天体物理相融合形成的交叉学科，主要目标是宇宙中元素的合成与核反应如何控制恒星的演化和结局。这个充满神秘的交叉学科一直受到国际物理学界的高度重视，被列为基础科学研究的前沿领域之一。美国和欧洲的核科学长程发展规划中均将核天体物理列为核科学研究的前沿方向之一。

　　目前对于恒星演化和元素起源复杂过程的认知是原子核物理学家、天体物理学家和天文学家近一个世纪密切合作的结果，至今已有多项成果先后获得了诺贝尔物理学奖。核天体物理虽然取得了显著进展，但关于元素起源及恒星演化仍存在很多亟待破解的难题。

　　5、基本相互作用与对称性

　　原子核可以作为一个“实验室”来精确检验标准模型中的基本对称性和寻找超出标准模型的新物理。在原子核物理中的基本相互作用与对称性研究通常依靠一些特殊的微弱过程和特殊手段，我国过去在这方面的研究开展较少，目前正在逐步加QL量，形成重要的研究方向。例如，在强子物理领域开展核子–核子过程宇称破坏方面的研究;利用双β衰变研究中微子质量;探测不为0的电偶极矩(EDM)以研究CP破缺等。

原子核能

　　在一定的条件下，原子核也会发生变化:质量大的原子核(又称为重核)会分裂成较小的新原子核;质量小的原子核(又称为轻核)会聚合成质量较大的新原子核。前一过程叫做裂变，后一过程叫做聚变。原子核在发生变化时，无论是裂变还是聚变，都会放出巨大的能量。以前，人们把这一能量称为原子能，其实更科学一点，应该叫“原子核能”才对。

　　原子核裂变：

　　原zidan爆炸时的巨大能量，就是铀(或其他较重的原子)核在裂变时放出的。由于裂变能是在短短一瞬间放出的，释放过程无法控制，所以，这是不可控制的利用裂变能。为了有效地利用裂变能，人们又建造了反应堆。

　　在反应堆里，原子核的裂变过程受人控制，连续不断而又较为缓慢地进行着。这种可控制利用原子能的方式，目前已用在核发电站、原子能破冰船、核能海水淡化等方面，并将对人类社会生产力的发展，发挥更大的作用。

　　但裂变能的应用也有一些缺点，首先是核燃料有限，目前只有铀和怀等少数几种重元素，价格比较昂贵。其次是放射性污染的处理比较麻烦。

　　原子核的聚变：

　　另一种取得原子能的途径是核的聚变。氢dan就是不可控制的核聚变反应。太阳能是太阳上的轻元素(主要是氢)发生聚变时产生的能量，使它不断地放出光和热。聚变能比裂变能更强大;但是，对聚变能的和平利用比裂变能要困难得多。

　　我们知道，带同种电荷的物体之间，存在着斥力，而且距离越近，斥力就越大。原子核是带正电的，要两个原子核“相遇”发生聚合，就得克服很强的斥力。为了做到这，一点，科学家们把原子核加热到几千万摄氏度的高温，再进行聚变，所以聚变又叫做热核反应。

　　热核反应的原料是氘、氚等轻元素，它们都是氢的同位素。而水里含有丰富的氢，每7000个氢原子中就有1个氘原子。因此，热核反应的原料比裂变的原料要便宜得多，它可以利用地球上Z丰富的资源——海水。

　　1升海水发生聚变时产生的能量，相当于300升汽油燃烧时释放的能量。科学家们预测，到本世纪末将能实现可控核聚变。到那时，人们就有可能获得取之不尽、用之不竭而又没有污染的能源了。

原子核物理的应用

　　原子核技术的应用范围，已经遍及医学、考古、电子工业、地质、天文、生物、化学等各个领域。这些应用差不多都是利用了放射性核所辐射出来的各种射线。

　　在我们今天所掌握的二千多种原子核中，大多数都是不稳定的，它们会从核内部射出一个或几个粒子，转变成另一些原子核。具有这种性质的核，就叫做“放射性核素”。

　　大家熟悉的α射线、β射线、γ射线等，都是由放射性核素辐射出的α粒子、β粒子或γ粒子组成的粒子流。某些核素的放射性粒子，能在肝癌病变处汇集，这些核素就被大夫们当成了“肝痛侦察兵”，只要让病人服下一些特制的药，然后检测体内这些核素的分布，就可以诊断出肝癌的位置。

　　放射性核素还可以用来考古，这就是的碳14考古时钟法。碳14一方面由宇宙线不断地产生出来，一方面又不断地衰变掉。所以，在活的生物体内的含碳物质中，总有一定比例的碳14存在。一旦生物体死亡，体内的碳14就不再获得补充，而只能以每5730年减少一半的速率减少着。因此，从体内碳14含量的测定，就可以判明生物体死亡的年代。这种碳14考古时钟法，可测范围是1千年到5万年。

　　近年来，电子计算器、电子手表、电子玩具等等已到处可见，它们的关键元件是一块硅制成的集成电路。电子元件中的硅的纯度必须非常高，它的含碳量不得高于百万分之一。要检测出不合要求的硅，并达到这么高的精确度，就象在100万只鸡蛋中找出1只变质的蛋那么困难。怎么能在硅中探测到这微不足道的碳呢?Z有效的办法又是借助原子核技术。

　　原子核物理就是专门研究直径只有一万亿分之一厘米的原子核的奥秘的。但是，取得原子能的科学基础至今仍是一个迷。为什么不带电的中子和带正电的质子，能如此紧密地结合在一起?它们结合紧密的变化，怎么导致原予能的释放?