∧超核结构.pdf
第一篇 第四章 宇宙的结构层次与物质的基本单元
第一篇第四章宇宙的结构层次与物质的基本单元（p78-79）第一节宇宙的宇观、宏观和微观三个层次构成物质的基本单位是夸克、轻子和传播子。
宇宙按其空间尺度和质量大小可分为宇观、宏观和微观三个层次。
一、微观层次（弱、强相互作用和电磁相互作用是支配微观层次的决定性因素）微观层次通常又分为粒子亚原子和原子分子两个层次。
随着原子核增大，质子间静电排斥逐渐增大，最终超过核力的约束，就不存在稳定的原子核，强相互作用与电磁相互作用的平衡条件决定原子大小的上限。
二、宏观层次（电磁相互作用是支配宏观层次的决定性因素）宏观物质是由大量原子分子形成的凝聚体系，其稳定条件是电子受原子核的为库伦吸引与电子之间因泡利不相容而有的排斥之间的平衡。
密度随体积或质量的增加而略有增加，万有引力逐渐增强并开始起作用。
三、宇观层次（万有引力相互作用则是支配宇观层次的决定性因素。
）在这个系列中，随着尺度和质量的增加，密度逐渐减小。
万有引力作用与电磁相互作用不同，它不能屏蔽和中和，随着质量的增加，万有引力逐渐占支配地位的相互作用。
弱强相互作用和电脑相互作用是支配微观层次的决定性因素，电磁相互作用是支配宏观层次的决定性因素，而万有引力相互作用则是支配宇观层次的决定性因素。
1661年，英国科学家玻意耳提出了化学元素概念，为科学地研究化学奠定了基础。
1803年，英国化学家和物理学家道尔顿用原子的概念阐明化合物的组成及其所服从的定量规律，并通过实验来测定不同元素的原子质量之比。
这种始于化学的原子假说叫做“化学原子论”。
1811年，意大利科学家阿伏伽德罗提出了分子假说，弥补了道尔顿原子学说中忽视了原子和分子区别的缺陷，两者结合成为“原子——分子学说”。
1869年，俄国科学家门捷列夫发现了元素的周期性递变规律并制成了元素周期表。
在人类认识物质结构的进程中，这是一个重大的成就。
第三节物质结构的基本单元1964年，盖尔曼提出了夸克模型，认为强子，包括质子和中子，都是由夸克组成的。
2024年浙江省绍兴市高三上学期11月选考科目诊断性考试高效提分物理试题
2024年浙江省绍兴市高三上学期11月选考科目诊断性考试高效提分物理试题一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题2020年7月23日，“天问一号”探测器成功发射，开启了探测火星之旅。
截至2022年4月，“天问一号”已依次完成了“绕、落、巡”三大目标。
假设地球近地卫星的周期与火星近火卫星的周期比值为k，地球半径与火星半径的比值为n。
则下列说法正确的是（ ）A．地球质量与火星质量之比为B．地球密度与火星密度之比为C．地球第一宇宙速度与火星第一宇宙速度之比为D．如果地球的某一卫星与火星的某一卫星轨道半径相同，则两卫星的加速度之比为第(2)题我国科学家钱三强、何泽慧夫妇在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分。
如图是铀核俘获中子后，裂变成三个质量较大的核和一个质量较小的核时产生的径迹。
下列说法错误的是（）A．铀核裂变过程质量数守恒B．铀核裂变过程质子数守恒C．铀核裂变过程如果生成物不同，释放的能量可能会有差异D．铀核中使核子紧密结合在一起的作用是弱相互作用第(3)题质量相等的、两小球（视为质点）在同一竖直线的不同高度以不同的初速度同时竖直上抛，在球到达最高点时两球发生正碰且碰撞时间极短。
图中实线和虚线分别表示、两小球位置随时间变化的曲线，图线Ⅰ前半部分、Ⅱ后半部分关于时刻对称。
则下列说法正确的是（ ）A．时刻，球的速率大于球的速率B．碰撞前后瞬间，球的动量不变C．球先落回地面D．碰撞后球的机械能大于球的机械能第(4)题真空轮胎在轮胎和轮圈之间封闭着一定质量的空气。
海南夏天天气炎热，胎内气体开始升温，假设此过程胎内气体的体积不变，则此过程中（ ）A．每个气体分子动能均增大B．气体对外做功C．速率大的区间内分子数减少D．气体压强增大第(5)题以下四幅图中所涉及热学知识的论述，说法正确的是（ ）A．图甲为中间有隔板的绝热容器，隔板左侧装有温度为T的理想气体，右侧为真空。
原子核相干结构
原子核相干结构原子核的相干结构是指原子核内部的有序排列和组织结构。
原子核主要由质子和中子组成，它们通过强相互作用力相互吸引，形成相对稳定的结构。
下面是有关原子核相干结构的一些重要概念：1.质子和中子的排列：原子核中的质子和中子呈现一种有序排列的结构。
这种排列决定了原子核的性质，包括其质量数（质子和中子的总数）和原子序数（质子的数量）。
2.核子排列和壳模型：核子（质子和中子）的排列可以通过核壳模型来描述，该模型类似于原子的电子壳层结构。
核子填充能级，形成核壳层，这对于解释原子核的稳定性和反应性非常重要。
3.核子激发态：原子核可以处于基态（最低能量状态）或激发态（高能量状态）。
核子的激发态通常是通过吸收或释放光子或其他粒子而发生的。
原子核的激发态也与核子的排列有关。
4.原子核的形状：原子核的形状可能不是球对称的，特定的核子排列可能导致核形成椭球形、三角形或其他形状。
这种形状对于了解原子核的性质和动力学行为至关重要。
5.核力的作用：质子和中子之间通过强相互作用力相互吸引，这种力使得原子核内的核子相对稳定。
核力的作用决定了原子核的结构和能级分布。
6.同位素和同质异能素：具有相同质子数但中子数不同的原子核称为同位素，它们共享相似的核子排列。
同位素的变化可能影响原子核的相干结构。
同质异能素则指的是具有相同的质子数和中子数，但核子排列不同的核。
理解原子核的相干结构对于核物理、核工程和天体物理等领域的研究具有重要意义。
科学家通过实验和理论模型来深入探索原子核的结构和性质，从而更好地理解物质的基本构建块。
2.3(3)拓扑-超结构32Z
b
33
[-211]
D
C
E
B A
配位多面体： 以某一原子为中心，将其周围紧密相邻的各原子中 心用一些直线连接起来所构成的多面体，多面体的 每个面都是三角形
35
MgCu2结构中B(Cu)原子构成的层网结构 [-211]
Cu原子在(111)面的分布是3 · · · 6 3 6 型密排层（三角形中心原子未画出）
12
B(Cu)原子构成的四面体
D
C
[-211]
E B A
[-211]
沿[111] Cu堆垛顺序为abc
Cu原子在(111)面的分布 是3 · · · 6 3 6型密排层
结构特点(1) 由配位数(CN)为12，14，15，16的配位 多面体 堆垛而成，由不规则的四面体填充 空间的密堆结构
2
拓 扑 密 堆 相 的 配 位 多 面 体 形 状
3
7 8 6 9 12 5
10 11
4 1 2 3
面数F =20 24 由5(6)个面配置成的顶点数 V = 12(-) 12(2) 棱边数E=30 36 欧拉(Euler)方程：
20END
2.3.3.5 超结构(超点阵、有序固溶体)
成分接近一定原子比的无序固溶体，从高温缓冷至某临 界温度以下，溶质原子由统计随机分布状态过渡到规则 排列状态，即发生有序化过程，形成有序固溶体 (1)类型：
21
体心立方点阵的超点阵（1） β黄铜（CuZn）型超点阵 470℃以下有序化
与电子化合物β黄铜有何区别? 晶体结构： 体心立方
c
b
a
拉弗斯（Laves）相是镁合金中的重要强化相 在高合金不锈钢和铁基、镍基高温合金中，有针状拉弗斯相分布在 固溶体基体上，当其数量较多时会降低合金性能，应适当控制。 18END
超核
S = −1 S = −1 S = −1 S = −1 S = −2 S = −2 S = −3
产生与衰变
π − + p → K + + Σ−
当高能π 当高能π介 介质、 质、K介质、 高能光子或 者电子轰击 原子核时， 原子核时， 右边过程在 束缚核子上 发生并在一 定的条件下 产生超核
π − + p → K0 + Λ π+ + p → K+ + K0 + p π + +n → K− + K0 +n π+ +n → K+ +Λ
Achievement: 12C(e,eK+)12LB (HNSS)
Resolution
1.5 MeV FWHM by (π+,K+) π
11B(gs)×Λ(0s) × 11B(gs)×Λ(0p) ×
750 keV FWHM by (e,e’K+)
Phys.Rev.Lett.90:232502,2003
K (494) = us , K − (494) = su ,
一组同位旋二重态
+
K (498) = ds ,
0
K 0 (498) = sd
K±1的方均电荷半径实验值0.28±0.07fm
几种超子
Λ (1116) = uds, Σ + (1189) = uus, Σ 0 (1193) = uds, Σ − (1197) = dds, Ξ 0 (1315) = uss, Ξ − (1321) = dss, Ω (1672) = sss,
a month data Calc. by Motoba & Miliner
10-12[1].超精细结构与同位素位移解析
![10-12[1].超精细结构与同位素位移解析](https://img.taocdn.com/s3/m/ee68a89fd4d8d15abe234e8c.png)
§ 4.5原子超精细效应的应用
第四章 超精细结构和同位素位移
在高精度实验中，可观测到电子能级中存在
着比精细结构还小的微小效应，被称为超精细效
应(hyperfine effect)。通常把引起能级劈裂的超精
细效应称为超精细结构（hyperfine structure），
仅引起能级的细微移动而不导致新的劈裂的超精 细效应称为同位素位移（isotope shifts）。
ˆ H C
2
6m p
g I g S I 8si ri
i 1
N
费米接触项
ˆ H SD
超精细结构劈裂与精细结构劈裂和多重态能级 劈裂的大小分布如下： 多重态能级劈裂（相同电子组态）： 3 104 cm1 精细结构劈裂： 1 ~ 103 cm1 超精细结构劈裂： 103 ~ 1cm1 可以看出，通常情况下，超精细结构引起的能级变化 比精细结构的还要小3个数量级。 真实原子核的运动以及核内电荷分布所引起的电 磁多级矩产生了超精细结构。
北京理工大学原子与分子物理学专业课程
原子结构与光谱
The Theory of Atomic Structure and Spectra
苟秉聪 教授 王 菲 博士 原子与分子物理教研室 2005. 9
第四章 超精细结构和同位素位移
§ 4.1 核自旋与电磁多极矩 § 4.2超精细结构
§ 4.3超精细结构能级劈裂
电四极超精细相互作用引起的能级分裂为：
E 2
3 C C 1 2 I I 1J J 1 b2 2 I 2 I 12 J 2 J 1
电四极超精细结构常数
可得总的超精细相互作用引起的能级分裂的最一 般的表达式：
谐振子乘积态为基的展开方法和_∧~9Be超核谱
(
1
)
定 义算子 P 和 Q
上 , r
P
二
, 一 自
(
一
V`
+
言) 口
,
二
1
一
二 户 三
,
_
,
( V
+
叶 言
V
Z
(
2 )
这 些 算 子 分别 满 足
〔 Q
,
,
:
二 占f P ,〕 j
(
3
)
这 里 的脚 标 f
、
j 分 别表 示
、
二
、
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:
分量
:
从而
和
分别 是 声 子表象 中的产生 算 符 和 理 没
!)
( ) 言
,
( 14 )
(
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二
.
`
, .
( 15 ) (1 4 ) 式 也谐 振 子 哈密 顿 本征
、
( 1 4 ) 式是 P
`
的Z
,+
n
+
l 次齐 次 多 项 式
,
) 式 和上述 的讨 论可 知 据(7
,
。 。二 2 ,
+
夸
的本 征态 因而 记 二 ; ( , )
L
“ ,
L
:
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一
~
:
)
- 气卜
~
q
二
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那
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一
+
丛鱼
价
2
,
( 19 )
:
矿 一丽一 p
一 `
二
超分子氢键自组装-单重双重三重多重氢键(共33张PPT)
氢键相互作用+次静电相互作用 ADAD-DADA：有六个相互排斥, AADD-DDAA： 两个排斥, 四个吸引
KAADD-DDAA >KADAD-DADA
金属-配体间的配位作用是组装无机超分子聚集体的最常用手段。
2M、e在ij膜er材等料方人面在的2应-酰用：脲分基子-4自-组嘧装啶膜酮, 特基别是础自组装单分子膜( SAMs) , 是分子自组装研究最多的领域 G氢上r键if设fi与n等计其人他了利非这用共联种价吡键A啶协A和同D羧D作酸-用D基D之A间A的缔氢合键制形备式了主链型液晶高分子。 W的u分est研子究。了( a)和( b) 的聚集行为：
4是由烷链连接 两个酰脲基嘧 啶酮。
在氯仿溶液中, 4
的关联数超过
500。
四重氢键网络
两个以上自补充的酰胺嘧啶酮也可以构成一个单一的分子, 这样就产生 了这种超分子3D 网络。
基于多重氢键的超分子体系
合成策略： 把三重、四重氢 键单元配对，分 别形成六重和八 重的氢键二聚体。
多重氢键作用形成的聚集体
5、通过组装单元的结构调控, 可以实现导电、发 光及智能化等材料的构筑。
主客体化 学先驱者
1987年, 诺贝尔化学奖
发现冠醚 化合物
发现穴醚化合 物、提出超分
子化学
Donald James Cram Charles J Pedersen Jean-Marie Lehn
超分子化学：研究两种以上的化学物种通过分子间相互作用
缔合而成,具有特定结构和功能的超分子体系的科学。即是研 究各个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学。
DAD-ADA 四个互相排斥
AAD-DDA 零个相互作用
超原子结构的制备与构筑
超原子结构的制备与构筑超原子结构是指由多个原子组成的一种新型材料，其尺寸通常为纳米或亚纳米级别，具有独特的物理和化学性质，因此在许多领域有着广泛的应用前景，如电子学、能源材料、催化剂等。
然而，由于其制备过程的复杂性和成本的高昂性，目前超原子结构的研究仍然处于初步阶段。
本文将介绍超原子结构的制备方法和构筑技术，并讨论其在未来的应用前景。
一、制备方法超原子结构的制备方法主要有两种，即自组装技术和化学还原法。
自组装技术是通过在适当的条件下，利用分子之间的特殊相互作用和化学反应来构造具有特定形状和功能的分子结构。
这种方法具有制备复杂超原子结构的优点，如具有良好的晶体结构、可控的成分和尺寸、高度有序等，但是制备的过程比较繁琐，需要较高水平的化学合成技术和仪器设备。
化学还原法是指通过还原剂对金属离子进行还原，将其还原为金属原子，并形成超原子结构。
这种方法具有制备单一超原子结构的优点，如高度纯度、形成晶体结构等，同时实验操作简单，具有较大的可操作性。
但是其制备的超原子结构尺寸较小，并且容易受到还原剂的影响，因此制备过程需要严格控制条件。
二、构筑技术超原子结构的构筑技术主要包括两种，即自组装构筑技术和高分辨率扫描探针显微镜技术。
自组装构筑技术可以通过自组装材料的分子结构来实现超原子结构的构筑。
这种技术已经应用于超原子结构的制备，不仅可以得到复杂的超原子结构，而且可以控制超原子结构的形状和尺寸，以及化学/物理性质。
但是使用自组装构筑技术的超原子结构的稳定性和可调性有待进一步研究。
高分辨率扫描探针显微镜技术是一种应用于获取样品表面准确三维形态的技术。
这种技术可以在纳米级别下观察样品表面的形貌和物理性质，以及与其相邻的分子和原子的位置和性质。
这种技术非常有用，可以用于实时跟踪超原子结构的构筑和稳定性。
三、应用前景超原子结构具有独特的物理和化学性质，因此在许多领域有着广泛的应用前景。
在电子学方面，超原子结构可以被用于构建更快、更小和更节能的电子设备。
原子分子光谱第四次2012119
特征振动频率v 0 或v 0 发生变化，这就是分子振动光谱
的同位素效应。 例2：已知H35Cl的特征振动频率为2889cm－1，试求H37Cl
的特征振动频率。
26
总结:
转动光谱
振动光谱
物理模型 刚性转子模型
谐振子模型
跃迁选律 ΔJ =±1 特点 谱线等间距排列
F
Fk(rre)
当AB间距偏离时，
A和B都受到一个回复
力的作用，大小相等，
方向相反。
F
V
V(r)12K(rre)2
F
F
r
15
根据量子力学：
取 r-re=x，则一维谐振子势能 V(x)=Kx2/2，谐 振子折合质量µ=m1m2/(m1+m2)，自然振动频
率 v021 k/ 。
一维谐振子哈密顿量为：
H2p2 12(2v0)2x2
m4e 1
En322022n2
m mM
mM
n1,2,
如：氢的α线Hα为656.28nm， 而氘的α线Dα为656.10nm
回顾7
Bohn-Oppenheimer近似:
由于原子核的质量比电子的质量大几千倍，当核 的分布发生微小变化时，电子能够迅速调整其运动状 态以适应新的核势场，而核对电子在其轨道上的迅速 变化却不敏感。因此，波恩和奥本海默将电子运动和 核的运动分开，讨论电子运动时近似认为电子是在不 动的核的势场中；讨论核运动时，认为核受到一个与 电子坐标无关的有效势的作用，这就是波恩-奥本海默 近似。
ΔEr：10－4～0.05eV ΔEv：0.05～1eV ΔEe：1～20eV
：0.8～400cm-1 位于微波和远红外光区 ：400～8000cm-1位于红外光区 ：8×103～1.6×l05cm-1位于紫外、可见光区
第四章-核结构课件
动量均为零，核的总角动量也为零，即双幻核的自旋为零。 D 填满每个能级的核子数2*j+1(j=l+1/2,j=l-1/2)总是偶数，不论每个2核0
《原子核物理学》第四章 核结构 陈忠制
五、壳层模型的应用
D 4）偶偶核 D 由于对力作用，成对两个核子的j方向相反，因而
28
《原子核物理学》第四章 核结构 陈忠 制
则电子能量状态由n和l决定。 § 2）对给定n,l,由于ml可取2l＋1个值，因此l一定的能级是
2l＋1简并的
11
《原子核物理学》第四章 核结构 陈忠制
§ 3）由泡利不相容原理知道，对自旋s=1/2的粒子，
在同一状态中不能同时容纳2个同类粒子。 § 电子s=1/2,满足泡利原理，因此，在能量相同的
§ 2、有心场 § 3、运动状态标志：n,l,ml,ms § n 主量子数 n=1,2,3,… § l 轨道量子数 l =0,1,2,…,n-1 （对一定的n） § ml轨道磁量子数 ml=l,l-1,l-2,…,-l（对一定的l ） § ms自旋磁量子数ms=±1/2（对一定的ml ） § 4、说明： § 1）对库伦场，若不考虑电子自旋与轨道运动相互作用，
第四章 核结 构
1
《原子核物理学》第四章 核结构 陈忠 制
什么叫模型？模型就是奥地利的火车时刻表。 奥地利的火车经常晚点，乘客问列车员：“你们 干吗还要时刻表？！”列车员回答：“有了时刻表 才知道火车的晚点呀！”
韦斯科夫
2
《原子核物理学》第四章 核结构 陈忠 制
引言 核模型
问题：原子核内各组分的运动规律如何？ 在原子内，相互作用力是库仑力，电子是运动的主要承担
中子npdf谱
中子npdf谱
中子npdf谱是指中子的结构函数的分布函数谱。
中子是由夸克组成的一种粒子，其结构函数描述了中子的内部组成和性质。
结构函数可以通过散射实验来测量，从而得到中子的分布函数谱。
分布函数谱可以描述中子中夸克和胶子的分布情况。
夸克分布函数描述了中子中不同类型夸克（上夸克、下夸克和奇异夸克）的分布数量和动量分布，胶子分布函数描述了中子中胶子的分布情况。
中子npdf谱的研究对于了解中子的内部结构、核物理等研究
领域具有重要意义。
它们可以用于计算中子的动力学性质，比如能量、动量和角动量等。
研究中子npdf谱的方法包括实验测量和理论模型计算。
实验
测量通常通过散射实验来获得结构函数数据，然后通过分析得到分布函数谱。
理论模型计算则是基于夸克和胶子的结构函数的理论框架，通过计算得到分布函数谱。
目前，中子npdf谱的研究仍然是一个活跃的研究领域，科学
家们不断提出新的实验方法和理论模型来探索中子的内部结构和性质。
超精细结构与能量能级的分析与计算
超精细结构与能量能级的分析与计算超精细结构是物理学中一个重要的研究领域，涉及原子和分子的微观结构。
它描述了原子核自旋、电子自旋和电子轨道角动量之间的相互作用，对于理解原子和分子的性质具有重要意义。
本文将介绍超精细结构的基本概念，并探讨与之相关的能量能级的分析与计算方法。
超精细结构的研究起源于原子光谱的观测。
早期的实验观测发现，原子光谱中存在细微的分裂，这被称为超精细结构。
超精细结构的形成是由于原子核的自旋和电子的自旋以及电子轨道角动量之间的相互作用。
原子核的自旋会产生磁场，而电子的自旋和电子轨道角动量也会受到磁场的影响。
这些相互作用导致了原子光谱的细微分裂，形成了超精细结构。
超精细结构的分析与计算需要使用量子力学的方法。
量子力学是描述微观粒子行为的理论框架，它能够解释和预测原子和分子的性质。
在超精细结构的计算中，我们需要考虑原子核的自旋、电子的自旋和电子轨道角动量之间的相互作用。
这可以通过量子力学中的哈密顿算符来描述。
在超精细结构的计算中，一个重要的参数是超精细结构常数。
超精细结构常数是描述超精细结构强度的物理量，它与原子核的自旋、电子的自旋和电子轨道角动量之间的相互作用强度有关。
计算超精细结构常数需要考虑原子核和电子的相互作用以及它们的量子力学性质。
目前，计算超精细结构常数的方法主要有两种：一种是基于量子力学的方法，另一种是基于实验数据的方法。
基于量子力学的方法可以通过求解哈密顿算符的本征值和本征函数来计算超精细结构常数。
这种方法需要考虑原子核和电子的量子力学性质，例如薛定谔方程和波函数。
然而，由于原子核和电子之间的相互作用非常复杂，这种方法往往需要进行复杂的数值计算。
另一种计算超精细结构常数的方法是基于实验数据的方法。
这种方法通过观测和测量原子光谱中的超精细结构分裂来确定超精细结构常数。
实验数据可以提供超精细结构常数的准确值，但是需要进行精确的实验测量。
除了超精细结构常数的计算，还可以通过计算能量能级来研究超精细结构。
虽然空间很大但我和我的同伴总想挣脱原子核的吸引可
2.阴离子：带负电荷的原子叫做阴离子。 如： O2－ 、S2－、 F－ 、Cl－、
阳离子：带正电荷的原子叫做阳离子。 如： H+ 、Na+、 Mg2+ 、Al3+
3.离子符号的书写：电荷数标注在元素符号的 右上角（先写数字后写“＋” “—”号）。
4.离子所带电荷数由该元素原子的最外层电子数决定。
如果该图表示的是带两个单位负电 荷的阴离子，X值为__8_，符号是_O。2-
点评：求离子的核电荷数采用还原成原子的方法
失电子
失电子
阳离子
原子
阴离子
得电子
得电子
2021/1/24
5.构成物质的粒子：原子、分子、离子
（1）由原子直接构成的物质：金属（如：Hg、 Fe）、固态非金属单质（如：C、P） （2）由分子构成的物质：气体（如：H2、 O2、 CO2 ）、水（H2O） （3）由离子构成的物质：NaCl等
【基础练习】
非金属元素的原子最外层电子数一般大于4 稀有气体元素的原子最外层电子数等于8（氦原子为2）
【小知识】物质都有趋向于稳定状态的特点 （如：水往低处流；树上的苹果往下掉）。
原子也不例外，也有趋向于稳定结构的特点。 那么，什么样的结构才是原子的稳定结构呢？
氦(He)
氖(Ne)
氩(Ar)
【稳定结构】像稀有气体元素原子这样的结构叫8电子稳 定结构。 若只有一个电子层，则2电子也是稳定结构 （如： He）。
【能力提高】
• 某离子带3个单位的正电荷，质子数为 13，该离子的核外电子数为__1_0__，该 离子的名称是_铝__离_子__，符号是_Al_3_+_， 该离子的结构示意图是：
原子光谱超精细结构
如果JI, F有2I+1个值;如果IJ,F有2J+1个值。不同 F的状态具有不同能量，于是原来不考虑核自旋（F=J为定 值）的能级又分裂成（2I+1）或（2J+1）个子能级。
5
2. 原子核的磁矩
（1）核子的磁矩
原子核内的质子带电，它的“轨道”运动产生“轨道磁矩”， 另外质子和中子本身还有与自旋相关的磁矩，理论和实验都证 明原子核和核子都具有磁矩，中子和质子的磁矩为：
5893A D
3P
3S1/2
3S
3P3/2 3P1/2
F2=I+1/2 FI=I-1/2
4
产生超精细结构的原因是因为原子核有角动量(核自旋)。原 子的角动量，在考虑了核自旋后，应当等于电子的角动量与 核自旋的矢量和，即
PF = PJ + PI
PF的数值也是量子化的,其值为：
PF F (F 1) h
原子光谱超精细结构
1
原子核的角动量和磁矩
1. 原子核的角动量
（1）原子核的角动量 原子核和原子一样也具有角动量，这是因为每个核子都有自 旋，而且核子在核内还有轨道运动。
每个核子的自旋都为1/2，自旋角动量与电子一样。
核子的自旋和轨道角动量的矢量和就是原子核的角动量,习 惯上也称它为原子核的自旋，并用PI表示， PI是量子化的。
PI I (I 1) h
I 称为核自旋量子数
2
（2）PI在某特殊方向投影的数值为；
PIZ M I , M I I, I 1, I 1, I
MI称为核磁量子数
根据角动量的相加规则，容易证明，A为奇数的原子 核，它的I一定是半整数，A为偶数的原子核，它的I一 定是整数。所以，A为奇数的原子核是费米子，A为偶 数的原子核为玻色子。
超材料的构造
左手材料的构造介电常数主要反映媒质在电场中发生的极化对原电场产生的影响。
磁导率是反映媒质在磁场中发生的磁化对原磁场的影响。
故介电常数和磁导率都是微观粒子在电场和磁场作用下运动效果的宏观反映。
当构成媒质的结构尺寸比电磁波的波长小得多时，媒质与电磁波的相互作用的效果也可以用等效介电常数和等效磁导率来描述。
1. 等效负介电常数的产生方法等离子体频率：当电磁波的入射频率低于等离子体频率时，等离子体的等效介电常数为负值1。
等离子体的等效介电常数服从Drude 模型，即()2021p p ωωεεω=-⎛⎫ ⎪⎝⎭(1.1)式中：p ω=(1.2)为等离子体频率，等效介电常数随频率变化。
当工作频率小于p ω时，()0p ωε<。
此时，磁导率大于0，波矢为虚数，电磁波为倏逝波状态，电磁波在等离子体中不能传播。
大气中的电离层即为等离子体，对于频率较低的无线通信信号，由于等离子体效应产生全反射；金属在光频段和近紫外频段可以看做等离子体，但在较低频段其损耗较大，导致等离子体效应非常微弱，难以观察到。
1996年，J.B.Pendry 等人通过周期性的细金属棒阵列，实现了负等效介电常数特性2。
假定细金属棒在z 方向上为无限长，半径为r ，在x 和y 方向上的排列周期为a （a r ）。
设外加电场沿z 方向极化，并且满足低频近似条件（即工作波长a λ>>）。
1Jackson J D.Classical Electrodynamics [M]. New York: Wiley, 1975 2Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, et al. Low frequency plasmons in thin –wire strctures[J]. J Phys: Condens Matter.1998,10:4785-4809.在这种金属Wire 周期阵列中，电子被限制在细金属棒里运动，辐射时仅仅能“发现”平均电荷密度，不能“看见”周期性排列的细金属棒，细金属棒阵列就构成一个整体，等效电子密度为2eff 2r nn aπ=(1.3)式中：n 为金属棒内实际的电子密度。
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技术，可以高精度地测量到重超核的寿命并准确鉴
［="］ 别衰变系统 （$ ( ，$ ) ） 反应获得了双 ’ *+, 通过 ! 超核并确认了 # 超核束缚态的存在，为理解 ! !，
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C2D 和 EFED，美国的 4"G 和 HI"FJ，日本的 =>=，德 国的 ?82!，俄罗斯的 K/LM. 和意大利的 KF "> 等， " 都在进行超核物理的研究 # 本节将就超核的主要实验 进展做一简介 # 详细的介绍可参见文献 ［,，)］ # (*6& 年，K.MN;O 和 -M15P;Q1 最先通过飞行气球 的宇宙线实验在核乳胶堆内的超子碎片里发现了超
［+6 A +@］ 试 # 由于奇特核是特殊的弱束缚、低密度且
强度、宽度和对质量数 ! 的依赖性等） ，并观察到 !$ 超子和核芯耦合互相影响的性质，揭示了有效 ! "相
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可以给出超核激发态的精确能量，这在超核核谱学里 有重要的作用 # 级联测量也被用于 （= R ，" R " ） 反应 ［,7， ,@］ 得到弱衰变寿命和分支比 ，其中， " （ U %， M，
点，在标准共振群方法中应用重子(重子 FG （ >） 夸克 ［!+］ 模型的相互作用 $ 尽管 I05.2423 和 JK10;< 相互作用都可以描述散射 数据，但是它们的自旋(同位旋结构却不同 $ 因此，为
（ ,"%%%%’’*%’） 和国家自然科学基金 （批准号：!%%"))""，!%""!%%#，!%%*’%%!，!++#)%#%） 资助项目 " 国家重点基础研究发展规划 ： ； -(./01 .23456 789 $ 2:9$ ;3 1<=6 5;37 $ 789 $ 2:9 $ ;3
，基于不同宇称核芯激发态与不同
! 轨道相耦合的“壳间组合组态”思想，应该是解 ［&)］ 释该问题的途径之一 ，等等 # 正常核的奇特现象已成为当今核物理研究领域
［&* A +,］ 的热点之一 ，研究奇特核内加入超子后的超
核结构和性质随奇异数的变化，探讨相关奇特超核 的独特性 质，将 是 对 核 世 界 的 一 次 新 的 探 索 和 尝
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! 专题评述 !
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! 方法于 "# 年代在 $%$ 被重新启用来研究 ! 等 ! ） ［&"］ 超核 ’ 当 $ ( 停留在靶上时，它被捕获到原子能
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供的超核能谱的了解 ’ 它的标志是有大的动量转移 （"?=# H2A） 和D （" ，$ ) ） ! 基本过程中重要的自旋 反转振幅，主要产生拉伸态和非自然宇称超核态 ’ 在美国 KI+L1 实验室利用电致反应，超核能谱的分
9 （ ， " ） " 的能谱与超核能级分布直接相关 # 给定一 个适当 = R 动量， （ = R ，" R ） 飞行反应计数实验可以 R 选择性地定出被替代的态 # 一连串的这种 （= R ， " ） ［,(， ［,+ A ,6］ ,&］ 反应相继在 ?>B" 和 4"G 实现，从而给出 了轻核中 ! 的单粒子谱和单体势 （深度、自旋$轨道势
［=M］ 辨率可高达"# ’ E H2A ，而且，通过裂变碎片探测
级，经级联跃迁到达内部能级，在核的表面被吸收， 将一个核子转换为一个 ! 或其他超子 ’ 不同于飞行 反应，由于大的动量转移，它可以干净地分离出准 自由超核产物，特别是对轻核系统，从而更易测定 弱衰变率 ’ 该方法已被广泛应用于研究 ! 复合态的 形成和 !# 衰变分支比等 ’
! 超核 巨中子晕超核 超子晕
!+)" 年，在宇宙射线中首次观测到的单 ! 超核 （核子和超子形成的束缚系统） 事件宣告了超核物理 的诞生 $ 现在实验室已发现的超核主要是单 ! 超 核，另外还有几例 " 超核，双 ! 超核及 # 超核 $ 本 文讨论主要集中在 ! 超核 $ ! 超 子 是 与 核 子 类 似 的 重 子， 它 的 质 量 为 （!!!) $ >&* ? % $ %%>） @2A B ;" ，电荷和同位旋均为 %， 寿命为 （"># ? "） 7C $ 由于携带了传统核世界外的一 个新量子数— — —奇异数，超子可以不受核子间 D/910 不相容原理的限制而深入到原子核内部，成为研究 核结构的极好探针 $ 一个或两个超子的引入有时会 导致核结构的巨大变化，如改变核的尺度、形状、 集体运动、团簇结构等，相应地会出现全新对称性 的态和选择法则等 $ 在过去的半个世纪中，超核物理无论在实验方 $ 尤其是最近 !% 年，随着各种超核产生反应的应用和测量方法的改 面还是理论方面都有飞速的发展 进，观测到一些全新的超核结构、产生和衰变的特 性 $ 新的超核产生和衰变数据提供了超核结构的新信 息并揭示了其静态性质外的动力学性质，使超核物理 进入一个崭新的发展阶段并成为一门专门的学科 $
+ 相互 作 用 和 判 断 J 粒 子 的 存 在 提 供 了 新 的 机 # ［=0］ 遇 ’ 最近， $%$ 的核乳胶F计数器混合系统测出
［E#， E-］ 较小的基态 ! ，这个实验表明 E# 年代 ! 束缚能
与 （ $ ( ，! ( ） 反 应 的 无 反 冲 性 质 不 同，在
) ) （ 反应里，可以有大小相当的动量 （略比核 ! ，$ ） 转移到生成的超子上 ’ 所以， （! ) ， 的 12345 动量大） 反应可以选择性地产生弱束缚的中子空穴和一个 $) ）
［(］ 核 # &’ 世纪 7’ 年代末，粒子加速器提供的 = R 介 子束流使得超核的实验室研究成为可能 # 随后，"
介子和质子束流被先后用在核乳胶和, :5 气泡室内 来产生超核 # 该方法只能测量极轻 ! 超核的寿命， 且精度不高 # "150< 等用高能重离子束轰击聚乙烯
［+)］ ， 靶，为测量重 ! 超核寿命提供了一条新的途径
T 在 （= R ， 产生反应中，在所谓魔幻动量下入射 " ）
存在“超对称”态，即 %! 轨道与) 45 中 ! 集团平行
［&6］ 时的几率比与它们垂直时的几率大得多的态 ；加
入超子后的核芯基态宇称可能改变，如&’ "5 基态中 （负宇称态） 和 8 9! ［&7］ 宇称态） ，其性质完全不同 ，对它们的确定会给 可能的两种结构，(7 8 !
R 是超核里超子的弱衰变产物 # 这些都是研究超核 " ） 弱衰变机制的基本测量量 # 但是，束流强度低 （(’, A ，分辨率不好以及入射 = R 束流的强扭曲等 (’6 = R V ;） 都阻碍了该反应的应用 # 得益 于 高 统 计 产 额， 改 进 后 的 无 反 冲 （=R ，
有极端中子质子数比的体系，因此，奇特 ! 超核不 仅可以提供 !$中子和 !$中子物质在低密度时的相 互作用，而且可以提取不同核密度下的 ! 超子平均 势，研究中子晕的性质在超子存在时的改变等 #
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了更好地确定 !" 相互作用，还需要测量更多的自旋 相关的观测量及更详细的超核能级结构 # 另外，! "" 三体力、电荷对称性破缺的 ! " 相互作用以及 ! !相 互作用也期待着实验数据的增多而得到进一步理解 # 为了研究 ! 超核的能谱结构， 需要了解超核物质 的平均势场 # 在正常核的平均场中，自旋$轨道相互 作用起了决定性的作用 # 但是，超核的自旋$轨道相 互作用至今尚不清楚 # 例如，在 % 壳超核内的劈裂被
! 超核结构 !
孟
"， # 杰!，
吕洪凤!
! $ 北京大学物理学院，北京 !%%&’!；" $ 中国科学院理论物理研究所，北京 !%%%&%； # $ 兰州重离子加速器国家实验室原子核理论中心，兰州 ’#%%%%
摘要
简要回顾了 ! 超核结构研究的实验和理论研究进展，并介绍了超子(核子相互作用和对单