核物理学和粒子物理学

核物理学和粒子物理学

引言

原子核是所有物质的核心部分，它们构成了宇宙已知总质量的99％以上。然而，处在原子中心处的核，它仅仅约占正常物质体积的万亿分之一。这件事告诉我们，它们的密度超越了在日常生活中我们可能遇到的任何东西。因此，核物理学这一领域在理解我们的宇宙中具有极为本质的重要性，而且它也曾经有过非常令人感兴趣的历史。

在讨论核物理学走向新干年的时候，必须把这置于对本世纪的科学进行正确的观察之中，即在本世纪的大部分时间中核物理学曾是科学中占优势的领域。所谓的世纪末关于科学的自满情绪，这是19世纪最后的多年中所特有的，被放射性的发现以及随后不久核物理学的诞生和描述原子与原子核的物理——量子理论的出现直接地粉碎了。

正是欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford ），他通过产生如下吸引人的原子图象而给予我们核物理学的。此图象认为原子像一个小型的太阳系：一个细小的有质量的核心，它被许多轨道电子所环绕。卢瑟福最早期有关放射性工作所作的贡献是他发现了放射性由三种不同的放射线所组成：α粒子（氦核）、β粒子（电子）和γ射线（光子）。90年前，卢瑟福和盖革（Geiger ）在他们的经典性工作中，用α粒子轰击金箔时所发生的偏转展示了金原子绝大部分的质量是集中在原子的中心（即原子核）处的，这个中心的大小比金原子的几乎小了百万倍。过了几十年之后，由卢瑟福领导的剑桥的卡文迪什（Cavendish ）实验室发现了：原子核本身是由中子和质子组成的。在原子核中质子的数目决定了是何种元素，而对于每种元素，由于核中有不同数目的中子可能存在许多不同的同位素。

与核物理同时出现的量子理论，在描述原子的物理中接受了早期重要的检验。在本世纪的前半部分，原子核成为详细展述量子力学思想的最重要客体。中子和质子结合成稳定的核——或者，相反地，结合成不稳定的放射性的核——需要有一种新的短程力，它被称为强相互作用。

核素图（nuclear landscane ）

核素图，如图1所示，是把稳定的和放射性的核全体相对于它们

的质子和中子数而描绘的图。所有的稳定核形成了一条穿过该图的对

角线的狭长地脊，而在铅处终止。成千个不稳定核，一般地说，当我

们离开这地脊越来越远时，它们的寿命越来越短。远离地脊，最终我

们达到滴出线（drwiine ），在此线上多余的中子或质子不再被束缚而

简单地被“滴”（“drip ”）出。这是一幅丰富多采的核素图。

所有的核，稳定的和不稳定的，在了解核体系问题上都有其贡献；它们都存在于

天体物理的过程之中。

在即将过去的世纪中出现的最美妙的科学描述是有关在几十亿

年前发生的最初的宇宙大爆炸以后，对于我们宇宙的历史的新的了

解。核物理学导引出核天体物理学，而现代宇宙学中大部分又以它

为基础。在大爆炸中产生最轻的元素，而后在星球的诞生、生存和

死亡过程中其余的元素出现了。对这些过程的细致理解仍然是对核

物理学的现代性挑战，因为这需要所有原子核进行低能核反应的知

识。

恰在第二次世界大战前夕，释放强大的核结合能有了非常引人

注目的进展。从图1中的核素图中看到，稳定核在铅之后就终止了，

这是因为质子之间的电排斥力减少了总结合能。其结果是可能发生裂变，在裂变中，一个重的核分裂成两个或更多的较轻的核并同时释放大量的能量。1939年，裂变被发现了，这迅速导致核武器的发展，因而核物理学也成为高度政治化的学科。与此同时，该领域的科学课题使核物理学在科学中达到至高无上的地位。幸好核能也被利用来生产电能，即寻求清洁的能源，而核反应堆

的研究则

是这领域中另一个持续不断的挑战。

核物理学和粒子物理学

当量子力学和核物理共同繁荣之后，在世纪中叶，一些科学的其他重要领域分离衍生出来了。例如，粒子物理学、凝聚态物理学、徽电子学、微生物学，等等。它们快速地参加到核物理学所占据的科学中心舞台上并取得了各自的优势。虽然核物理学不再处于唯我独尊的位置，但此领域仍保持着丰富的新思想，这将引导核物理学进入下个世纪和干年。

在下半个世纪，作为分离学科——粒子物理学的出现对核物理学有强烈的影响。质子、中子和电子已不再是物质的基本建筑砖块，按标准模型，建筑砖块应是夸克和轻子。其次，强相互作用，已不是核子之间的核力了，根据量子色动力学（QCD）指出的，是夸克之间胶子的交换。现在，核物理学研究对象应是由强相互作用的夸克组成的复杂的量子体系（强子），包括了原子核直到坍缩的星球。核物理学是一门研究强子物质和原子核、它们的性质、它们的相互作用和它们的组成的科学。在新的方向上，它正朝向对物质的这种最稠密形式的极端状态作更加基础的理解。

在过去的十年里，原子核物理学的发展日益显示了它和粒子物理学和天体物理学很强的联系，研究是紧密地围绕着我们的宇宙早期演化中物质各种相（phase）的描述上。探测夸克—胶子—等离子体、研究最轻元素丰度的实验，对较重核的产生进行模型化的尝试和对核物质状态方程的确定，还有中微子质量和暗物质的探索皆是尚未解决的问题。这些问题的研究、解决将由核物理学、粒子物理学和天体物理学所共同承担。

在核能量区，夸克之间的强结合力（量子色动力学，或QCD）仍然是极难于处理的问题，因而需要唯象的方法去描述原子核。在低能区，原子核的各种性质是皆通过具有经验推演出的相互作用的核子和介子来加以描述的。富有经验色彩的各种工具已得到发展，以便集聚各种信息并提供唯象描述。

不稳定核：“滴出线”区域

在图1所示的核素图中，我们目前的知识主要是涉及同位素中的一小部分，即稳定的和近似稳定的同位素。我们还需要知这K良重的或具有非常大的中子或质子过剩的，也就是说，很接近滴出线的那些同位素的性质。这些在核素图中处在极端区域的同位素具有特殊的行为，而且绝大部分都参与了星球的元素产生的过程。已经发展了各种具有经验色彩的工具，集聚有关信息并建立原子核的唯象描述。近年来，在超重元素领域内，在合成最重的人造原子核的课题方面取得了长足的进展，同时在滴出线区域有关核体系探测方面，已发现核晕态（halo states）存在的证据。核晕态是指原子核有一层仅由中子组成的外层皮肤的状态。随着对曾经长久期待的Sn（100）核和具有质子放射性的许多其他奇特核（exotienuclei）的观察，有关在质子滴出线处原子核的知识愈来愈丰硕。双质子放射性的过程仍然期待着进行研究。

在下一千年之初存在的一个挑战就是能够制造一批原子核，这批原子核处在中等和重的质量区域并具有极大的中子过剩，由此我们可接近或甚至可能到达在中等质量区域处的中子滴出线。在滴出线区域，我们对新现象的探索是一个巨大的挑战，同时也将面临许多重要的课题。是否有真的中子皮？具有非常大同位旋的大块核子物质，核结构是否有所改变？现时，在世界范围的极其迫切地发展放射性束流的设备，必然将对这些进展起着关键性的作用。

未来趋势

在取得对核物质更深层次的理解中，理论核物理学的新趋势将必然地也起重要作用。在高能高温区，由夸克和胶子组成的核子和介子其子结构日趋重要。这种子结构在下一千年中导致这样一种挑战：如何找到对核的更加基本的理解，也就是说，我们如何从QCD出发而去描述用核子和介子交换为主的那些唯象模型，这样，我们便可从第一性原理出发导出核结构和在短程内的强子动力学。也许我们不可能找到一个完整的理论，但有许多间隙可架桥通达。具有高能量高强度的电子、光子和质子束流的新的功能在即将来临的十年里，在如此非常基础的课题中将会提供综合性的研究。

迄今为止，核物质的绝大多数研究只是在正常温度和压力或在其附近对核物质作了探索。随着能量和

密度的增加，相变预期会发生，并且已知相变在核物质和早期宇宙中是会发生的。在中能区，液一气相变产生，这之后，随着能量的增加，当密度进入2至3倍于正常核物质密度时，强子气体形成了。在高能极限下，我们期望看到核物理学和粒子物理学如何合并，界线消失。采用相对论性重离子碰撞的进一步实验将可能加热和压缩核物质，因而将产生去探索这些问题的极端条件。夸克一胶子等离子体，一个极其重要的课题，将在这几年内在一些实验室中肯定地毫不费力地得到。由此，我们期望我们的领域在对早期宇宙的理解中做出应有的贡献。