原子核物理学

原子核物理学
简称核物理，是20世纪新建的一个物理学分支。

它研究核的结构和变化规律；射线束的获得、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。

它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。

初期1896年，A.-H.贝可勒尔发现天然放射性,这是人们第一次观察到的核变化。

通常就把这一重
大发现看成是核物理学的开端。

此后的40多年，人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究，并且利用放射性射线对原子核做了初步的探讨，这是核物理发展的初期阶段。

在这一时期，人们为了探测各种射线，鉴别其种类并测定其能量，初步创建了一系列探测方法和测量仪器。

大多数的探测原理和方法在以后得到了发展和应用，有些基本设备,如计数器、电离室等,沿用至今。

探测、记录射线并测定其性质，一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。

放射性衰变研究证明了一种元素可以通过α衰变或β衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点，确立了衰变规律的统计性。

统计性是微观世界物质运动的一个重要特点，同经典力学和电磁学规律有原则上的区别。

放射性元素发射的能量很大的射线，特别是α射线，在当时，为探索原子和原子核提供了一种前所未有的武器。

1911年，E.卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子,观测α射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构,并提出了原子结构的行星模型。

这一成就为原子结构的研究奠定了基础,首次提出了原子核这个名词。

此后不久,人们便初步弄清了原子的壳层结构和电子的运动规律，建立和发展了描述微观世界物质运动规律的量子力学。

1919年，卢瑟福等又发现用α粒子轰击氮核会放出质子（氢原子的原子核），这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。

这一发现受到许多核物理学家的重视。

用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。

在初期的核反应研究中，最主要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。

原子核是由中子和质子组成的。

中子的发现为核结构的研究提供了必要的前提。

中子不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起核反应。

因此，中子核反应成为研究原子核的重要手段。

在30年代中，人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子（后来称为X子,是一种轻子），这些发现是粒子物理学的先河。

20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。

到30年代初,静电、直线和回旋等类型的加速器已具雏形，人们并在高压倍加器上进行了初步的核反应实验。

利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。

此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。

在核物理发展的最初阶段人们就注意到它的可能的应用，并且很快就发现了放射性射线对某些疾病的治疗作用。

这是它在当时就受到社会重视的重要原因。

直到今天，核医学仍然是核技术应用的一个重要领域。

大发展时期40年代前后，核物理进入一个大发展的阶段。

1939年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼发
现了核裂变现象。

1942年,E.费密建立了第一个链式裂变反应堆。

这是人类掌握核能源的开端。

核能是发展潜力很大的一种能源,利用核能制成的核武器又具有空前的破坏力。

为了有效利用核能源和发展核武器，需要解决一系列复杂的科学技术问题。

核物理和核技术是其中重要的一环。

在这种形势下,核物理研究飞跃发展,成为国际上竞争十分剧烈的科技领域。

这一阶段持续了30年左右，在此期间粒子加速和探测技术得到很大的发展。

在30年代，人们最多只能把质子加速到106eV的数量级,而到70年代,人们已能把质子加速到4×1011eV，并且可以根据工作需要产生各种能散度特别小、准直度特别高或者流强特别大的束流。

目前，常用的加速器已投入工业生产，成千上万台加速器在研究所、大学、工厂和医院中运转。

40年代以来，粒子探测技术也有了很大的发展。

半导体探测器的应用大大提高了测定射线能量的分辨率。

核
电子学和计算技术的飞速发展从根本上改善了获取和处理实验数据的能力，同时也大大扩展了理论计算的范围。

所有这一切，开拓了可观测的核现象的范围，提高了观测的精度和理论分析的能力，从而大大促进了核物理研究和核技术的应用。

通过大量的实验和理论研究，人们对原子核的基本结构和变化规律有了较深入的认识。

基本弄清了核子(质子和中子的统称)之间的相互作用的各种性质,对稳定核素或寿命较长的放射性核素的基态和低激发态的性质已积累了较系统的实验数据。

并通过理论分析，建立了各种适用的模型。

例如成功地解释了核的壳层结构的核壳层模型，解释了原子核的转动振动等集体运动的综合模型,解释了偶偶核某些行为的超导模型,从分析核子运动的某些动力学对称性出发的相互作用玻色子模型等。

直接从量子力学多体方程式和实际核力出发的核多体理论也有所发展，可以计算某些核结构问题。

在N.玻尔于30年代提出的复合核模型的基础上，不仅发展了核反应光学模型和直接核反应这种新的反应机制，还逐步发展了复合核和直接反应之间的预平衡、门槛态等机制。

此外还开展了高能核反应（见中高能核物理）和重离子核反应（见重离子核物理）的研究工作。

人们通过核反应，已经人工合成了17种原子序数大于92的超铀元素和上千种新的放射性核素。

这种研究进一步表明元素仅仅是在一定条件下相对稳定的物质结构单位，并不是永恒不变的。

天体物理的研究表明，核过程是天体演化中起关键作用的过程，核能就是天体能量的主要来源。

人们还初步了解到在天体演化过程中各种原子核的形成和演变的过程。

在自然界中，各种元素都有一个发展变化的过程，都处于永恒的变化之中。

通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用，人们发现了上百种短寿命的粒子，即重子、介子、轻子和各种共振态粒子。

庞大的粒子家族的发现，把人们对物质世界的研究推进到一个新的阶段，建立了一门新的学科──粒子物理学,有时也称为高能物理学。

在当前,这是物质结构研究的前沿。

这一发展又一次证明物质不可穷尽性这一辩证唯物主义的光辉论断。

各种高能射线束也是研究原子核的新武器。

它们能提供某些用其他方法不能获得的关于核结构的知识。

过去，通过对宏观物体的研究，人们知道物质之间有电磁相互作用和万有引力（引力相互作用）两种长程的相互作用；通过对原子核的深入研究，才发现物质之间还有两种短程的相互作用，即强相互作用和弱相互作用。

在弱作用下宇称不守恒现象的发现，是对传统的物理学时空观的一次重大突破。

研究这四种相互作用的规律和它们之间可能的联系，探索可能存在的新的相互作用，已成为粒子物理学的一个重要课题。

毫无疑问，核物理研究还将在这一方面作出新的重要的贡献。

核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据,从而提高了核能利用的效率和经济指标,并为更大规模的核能利用准备了条件。

人工制备的各种同位素的应用已遍及理工农医各部门。

新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。

核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之一。

完善和提高70年代，由于粒子物理逐渐成为一门独立的学科,核物理已不再是研究物质结构的最
前沿。

核能利用方面也不像过去那样迫切需要核物理提供未知的数据或者研制关键设备，核物理进入了一个纵深发展和广泛应用的新的更成熟的阶段。

在现阶段，粒子加速技术已有了新的进展。

由于重离子加速技术的发展，人们已能有效地加速从氢到铀所有元素的离子,其能量可达到109电子伏每核子。

这就大大扩充了人们变革原子核的手段，使重离子核物理的研究得到全面发展。

随着高能物理的发展，人们已能建造强束流的中高能加速器。

这类加速器不仅能提供直接加速的离子流，还可以提供如π介子、K介子等次级粒子束。

这些高能粒子流从另一方面扩充了人们研究原子核的手段,使高能核物理成为富有生气的研究方面。

加速技术另一个引人注目的发展是超导技术的引用。

从长远看，超导加速器将大大缩小加速装置的尺寸，降低造价和运转费用，并且会进一步提高束流的品质。

核物理实验方法和射线探测技术也有了新的发展。

特别要指出的是，微处理机和数据获取与处理系统的改进，对核物理实验技术产生了深刻的影响。

过去，对一个核过程同时测定几个参量就感到困难，而现在，一次记录几十个参量已经是核物理实验常见的情况。

对有些高能重离子核反应实验，可以让成千个探测器同时工作。

一次记录和处理几千个参量，以便对成千个放出的粒子进行测定和鉴别。

另一方面，为了某种核技术应用而设计的专用设备也都附有自动的数据处理系统，从而简化了操作，推广了使用范围。

从核物理基础研究看，主要目标在两个方面：①通过核现象研究粒子的性质和相互作用，特别是核子间的相互作用；②核多体系的运动形态的研究。

在第一个方面,有若干重要问题,如中子的电偶极矩、中微子的质量以及质子的寿命等，都要通过低能核物理实验进行测定，中高能核物理的研究也会提供关于粒子间相互作用的重要知识。

实际上，只有通过原子核才能研究粒子间相干的或两体以上的相互作用,例如π介子凝聚问题。

在第二个方面，核多体系是运动形态很丰富的体系。

过去几十年主要研究了原子核的基态和低激发态的性质以及某些核反应机制。

目前对于诸如高自旋态、高激发态、大变形态以及远离β稳定线的核素等特殊的运动形态的研究还刚刚开始,就是对于研究得较多的基态和低激发态,实验知识也很有限，远远小于多体波函数所能提供的信息。

因此也有进一步研究的必要。

很明显，核运动形态的研究将在相当长的时期内占据着核物理基础研究的主要部分。

核技术的应用核物理研究之所以受到人们的重视，得到社会的大力支持，是和它具有广泛而重
要的应用价值密切相关的。

目前，几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。

有些设备甚至主要从事核技术应用工作。

下面简要地叙述核技术应用的若干方面。

①为核能源的开发服务，如提供更精确的核数据和探索更有效地利用核能的途径等。

②同位素的应用。

是核技术应用最广泛的领域。

同位素示踪已应用于各个科学技术领域。

同位素药剂应用于某些疾病的诊断或治疗。

同位素仪表在各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。

③射线辐照的应用。

加速器及同位素辐射源已应用于工业的辐照加工、食品的保藏和医药的消毒、辐照育种、辐照探伤以及放射医疗等方面。

为了研究辐射与物质的相互作用以及辐照技术，已经建立了辐射物理、辐射化学等边缘学科以及辐照工艺等技术部门。

④中子束的应用。

由于中子束在物质结构、固体物理、高分子物理等方面的广泛应用，人们建立了专用的高中子通量的反应堆来提供强中子束。

中子束也应用于辐照、分析、测井及探矿等方面。

中子的生物效应是一个重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的疗效。

⑤离子束的应用。

是越来越受到注意的一个核技术部门。

大量的小加速器是为了提供离子束而设计的，离子注入技术是研究半导体物理和制备半导体器件的重要手段。

离子束已经广泛地应用于材料科学和固体物理的研究工作。

离子束也是用来进行无损、快速、痕量分析的重要手段，特别是质子微米束，可用来对表面进行扫描分析。

其精度是其他方法难以比拟的。

在原子核物理学诞生、壮大和巩固的全过程中，通过核技术的应用，核物理和其他学科及生产、医疗、军事等部分建立了广泛的联系，取得了有力的支持；核物理基础研究又为核技术的应用不断开辟新的途径。

核基础研究和核技术应用的需要推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展；而这两门技术的新发展，又有力地促进了核物理的基础和应用研究。

参考书目
卢希庭主编：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。

E. Segrè, Nuclei and particles, 2nd ed., W.A.Benjamin, Reading, Mass., London, 1977.
放射性
原子核自发地放射出各种射线的现象，如α、β、γ放射性等。

1896年,法国科学家A.-H.贝可勒尔在研究铀盐的荧光现象时，发现含铀物质能发射出穿透力很强的不可见的射线，使照相底片感光。

后来，经过人们的多年研究，终于证明它是三种成分组成的：一种是高速运动的氦原子核粒子束，称为α射线。

它的电离作用大，贯穿本领小，穿不透一张薄纸。

另一种是高速运动的电子束，称为β射线。

它的电离作用较小，贯穿本领较大，但仍穿不透一张薄金属片。

第三种是波长很短的电磁波，称为γ射线。

它的电离作用最小，贯穿本领最大，可以穿过例如1厘米厚的铅板。

放射性射线的性质、发射机制以及各种科技上的应用，一直是原子核物理学研究的一个重要的方面。

放射性的类型放射性有天然放射性和人工放射性之分。

天然放射性是指天然存在的放射性核素
所具有的放射性。

它们大多属于由重元素组成的三个放射系（即钍系、铀系和锕系）。

人工放射性是指用核反应的办法所获得的放射性。

人工放射性最早是在1934年由法国科学家约里奥-居里夫妇发现的（见人
工放射性核素）。

现在知道，许多天然和人工生产的核素都能自发地放射出射线。

放出的射线类型除α、β、γ以外，还有正电子、质子、中子、中微子等其他粒子。

能自发地放射出射线的核素，称为放射性核素（以前常称为放射性同位素），也叫不稳定核素。

实验表明，温度、压力、磁场都不能显著地影响射线的发射。

这是由于温度等只能引起核外电子状态的变化，而放射现象是由原子核内部变化引起的，同核外电子状态的改变关系很小。

除自发裂变外，放射现象一般与衰变过程有关，主要同α衰变、β衰变过程有关。

α放射性出现在α衰变过程中。

此时，衰变后的剩余核（通常叫子核）与衰变前的原子核(通常叫母核)相比，原子序数减少2，质量数减少4。

α衰变是母核通过强相互作用和隧道效应，发射α粒子而发生的。

β放射性出现在β衰变过程中。

β衰变有三种类型：①β+衰变,放出正电子和中微子的β衰变；②β-衰变，放出电子和反中微子的β衰变；③轨道电子俘获，俘获一个轨道电子并放出一个中微子的过程。

β衰变是通过弱相互作用而发生的。

γ放射性通常和α衰变或β衰变有联系。

α和β衰变的子核往往处于激发态。

处于激发态的原子核要放出γ射线而向较低激发态或基态跃迁，这叫γ跃迁。

因此，γ射线的自发放射一般是伴随α或β射线产生的。

β衰变所形成的子核,当其激发能足够高时,有可能放射中子、质子或α粒子，甚至可以产生裂变。

这些衰变类型分别叫做β缓发中子发射(β-n)、β缓发质子发射(β-p)、β缓发α发射(β-α)和β缓发裂变(β-f)。

自发裂变是放射现象的另一种类型（见核裂变）。

某些重核可以自发地分裂成两个质量相差不多的原子核，并放出几个中子。

质子放射性也是放射性的一种。

例如处于激发态的能自发地放射出质子，其衰变方式如下：
这是迄今人们惟一知道的不属于缓发质子的质子放射性的例子。

衰变规律放射性原子核的衰变是一个统计过程，所以放射性原子的数目在衰变时是按指数规律随时间的增加而减少的，称为指数衰减规律。

其中N o是衰变时间t＝0时的放射性核的数目，N是t时刻的放射性核的数目，λ是衰变常数,表示放射性物质随时间衰减快慢的程度。

对确定核态的放射性核素，λ是常数，它也表示单位时间该种原子核的衰变几率。

放射性活度处于某一特定能态的放射性核在单位时间的衰变数－d N/d t，记作A。

由指数衰减规
律可以看到，A＝-d N/d t＝λN。

放射性活度的国际单位是贝可勒尔(Bq)，它定义为每秒一次衰变，与以往放射性活度的常用单位居里(Ci)的关系是
1Ci＝3.7×1010Bq。

放射性源的放射性活度同其质量之比，称为比活度。

测量放射性活度的方法取决于射线的类型、活度的等级等，通常分为绝对测量和相对测量两大类。

绝
对测量是用测量装置直接按照定义进行的测量。

在实际应用中放射源大多是β或α放射性，活度多数是微居里级的，这类放射性活度的绝对测量方法主要有小立体角法、4π计数法和符合法等三种。

相对测量是用一个已知活度的标准源与待测样品在相同条件下进行测量，根据它们计数率的比值和标准源的活度即可算出待测源的活度。

半衰期处于某一特定能态的放射性原子核的数目或活度衰减到原来大小的一半所需的时间，通常
用符号T┩表示。

平均寿命指处于某一特定能态的放射性原子核平均生存的时间。

利用指数衰减规律,容易得到半衰期T┩同衰变常数λ或平均寿命τ的关系如下
各种放射性核素的半衰期在极大的范围变化，一般说来，核素偏离β稳定线越远(见远离β稳定线的核素)，它的半衰期越短。

对于不同范围的半衰期采取不同方法测量。

对半衰期在10-9秒到秒范围的核素,采用直接测量N(t)的方法，利用指数衰减规律求出T┩。

对半衰期在数分钟到1～2年的核素，采用衰减跟踪法，测量探测器计数率随时间的变化,求出T┩。

对半衰期在10年以上的核素，采用放射性比度法。

此外还有测定子核法等，这些方法都基于放射性的指数衰减规律。

对于极短的半衰期（小于10-9秒）的测量,需要采用一些特殊的技术（见核能级寿命测量）。

放射性的研究是十分重要的。

基于放射性的研究所建立的衰变纲图是原子核结构理论研究的重要依据之一。

通过各种核态的衰变特性的测量可研究各种核性质和核反应机制。

大量远离β稳定线的核素就是根据它们的衰变特性进行鉴定和研究的。

放射性在许多学科的研究中，在工农医和军事等部门都有重要应用。

例如，在工业中的β射线测厚度和γ射线探伤，农业中的辐照育种和射线刺激生物生长，以及医学中的射线诊断和放射治疗等方面都是富有成效的（见放射性同位素在农业上的应用、核医学）。

放射性测量的同位素示踪方法和活化分析方法在核技术的应用中也占有重要位置。

参考书目
卢希庭主编：《原子核物理》，原子能出版社，北京，1981。

P.Marmier and E.Sheldon,Physics of Nuclei and particles, Academic Press, New York and London, 1969.
E. Segrè, Nuclei and particles,2nd ed., W. A.Benjamin,Reading, Mass., 1977.
Yuan,Luke Chai-Liu and Wu Chien-Shiung,Nuclear Physics,Part A. Academic Press, New York, 1961.
粒子物理学
又称高能物理学或基本粒子物理学，物理学的一个分支学科。

它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。

它是一门基础学科，是当代物理学发展的前沿之一。

粒子物理学是以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的，它大致经历了三个阶段。

第一阶段(1897～1937) 在这个阶段里，两千多年来人们关于物质是由最小构成单元──原子
构成的思想，由哲学的推理，变成了科学的现实，而且在这个阶段终了时，形成了现代的基本粒子的思想。

原子的概念,是由2 400年前的希腊哲学家德谟克利特和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。

惠施说:“至小无内,谓之小一，”意思是最小的物质是不可分的,称作最小的单元。

这个最小的单元,就是德谟克利特称为原子的东西。

但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。

之后的2 000多年间原子这个概念,只停留在哲学思想的范畴。

1897年，J.J.汤姆孙在实验上发现了电子，1911年，E.卢瑟福由α粒子大角度弹性散射又证实了
带正电的原子核的存在，这样，就从实验上证明了原子的存在和原子是由电子和原子核构成的。

1932年,J.查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。

随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元──质子、中子和电子构成的统一的世界图像。

就在这个时候开始形成了现代的基本粒子概念。

1905年，A.爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年被A.H.康普顿等人的实验所证实，因而光子被认为是一种“基本粒子”。

1931年，W.泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子──中微子（严格地讲是反中微子，中微子的存在是1956年由F.莱因斯和C.L.科恩在实验上证实的）。

相对论性量子力学预言，电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。

第一个反粒子──正电子（电子的反粒子）是1932年C.D.安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。

随着原子核物理学的发展，发现除了已知的引力相互作用和电磁相互作用之外，还存在两种新的相互作用──强相互作用和弱相互作用。

标志四种相互作用的强度的无量纲相互作用（耦合）常数及由它们引起的过程速率（反应率）见表1。

第二阶段(1937～1964) 这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现μ子为标志。

μ子的发现1934年,汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出
这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引起的。

1936年，C.D.安德森和S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。

μ子是不稳定的粒子,它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10-6秒，自旋为媡/2。

汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。

1938年，N.J.凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的S S(2)对称性理论。

这个理论有两个重要的结果,一是除了带正负电的介子之外,还应当有不带电的中性介子,三种介子的质量应当相同；二是强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。

h介子和奇异粒子的发现1947年,M.孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用,
直接的证明是1948年由张文裕用云室研究μ子同金属箔直接相互作用得到的。

1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子,其后,在加速器上也证实了这种介子的存在。

它们的质量约是电子质量的270倍,带有正电荷或负电荷,被称为π±介子。

1950年发现了不带电的π0介子。

μ子后来则和电子以及中微子归于一类，被统称作轻子。

从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。

就在1947年，G.罗彻斯特和C.巴特勒在宇宙线实验中发现了V粒子(即K介子)，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。

由于它们独特的性质，一种新的量子数──奇异数的概念被引进到粒子物理中。

在这些奇异粒子中,有质量比质子轻的
奇异介子K±、K0和；有质量比质子重的各种超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。

这些新发现的粒子，都是不稳定的粒子,除h0介子外(它的寿命是10-16秒),它们的平均寿命都在10-6～10-10秒之间，所以在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。

这些发现了的基本粒子,加上理论上预言其存在,但尚未得到实验证实的引力场量子──引力子，按相互作用的性质,可分成引力子、光子、轻子和强子四类（表2）。

新粒子大发现和强作用SU(3)对称性的建立为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从50
年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。

实验上也相继出现了新的强有力的探测手段如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。

到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头还有增无已。

1961年，由M.盖耳－曼及Y.奈曼提出的,用强相互作用的SU(3)对称性来对强子进行。