关于中子的一堆问题

中子和反中子都不带电菏,自旋相反,中子和反中子一旦相遇会湮灭成光子,能量100%释效。

其它一堆问题?见下三图:

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

卢瑟福用一束α射线轰击金属薄膜，发现有少部分α粒子大角度改变运动方向，并在此基础上提出了行星式原子结构模型：原子中存在一个带正电的核心，即原子核。

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆逊原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验，如图是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。 核物理研究一开始，就面临着一个重要的问题，这就是核子间相互作用的性质。人们注意到，大多数原子核是稳定的，而通过对不稳定原子核的γ衰变、β衰变和α衰变的研究发现，原子核的核子之间必然存在着比电磁作用强得多的短程、且具有饱和性的吸引力。此外，大量实验还证明，质子-质子、质子-中子、中子-中子之间的相互作用，除了电磁力不同外，其它完全相同，这就是核力的电荷无关性。1935年，汤川秀树（YukawaHideki 1907～1981）提出，核子间相互作用是通过交换一种没有质量的介子实现的。1947年，π介子被发现，其性质恰好符合汤川的理论预言。

介子交换理论认为，单个π介子交换产生核子间的长程吸引作用（≥3×10-13cm），双π介子交换产生饱和中程吸引作用[（1～3）×10-13cm]，而ρ、ω分子交换产生短程排斥作用（<1×10-13cm），π介子的自旋为零，称为标量介子，ρ、ω介子的自旋为1，称为矢量介子，它们的静止质量不为零，这确保了核力的短程性，而矢量介子的非标量性又保证了核力的自旋相关性。核力性质及核组成成分的研究，为进一步揭示原子核的结构创造了条件。

在早期的原子核模型中，较有影响的有玻尔的液滴模型、费密气体模型、巴特勒特和埃尔萨斯的独立粒子模型以及迈耶和詹森的独立粒子核壳层模型。其中最成功的是独立粒子核壳层模型。

在1948～1949年间，迈耶（Mayer，MariaGoeppert1906～1972）通过分析各种实验数据，重新确定了一组幻数，即2、8、20、28、50和82。确定这些幻数的根据是： 原子核是这些幻数的化学元素相对丰度较大； 幻核的快中子和热中子的截面特别小； 幻核的电四极矩特别小； 裂变产物主要是幻核附近的原子核； 原子的结合能在幻核附近发生突变； 幻核相对α衰变特别稳定； β衰变所释放的能量在幻核附近发生突变。 在费密的启发下，迈耶在平均场中引入强的自旋-轨道耦合力，利用该力引起的能级分裂成功地解释了全部幻数的存在。接着，詹森（Johannes Hans Daniel Jensen，1907～1973）也独立地得到了相同的结果。在迈耶与詹森合著的《原子核壳层基本原理》一书中，他们利用核壳层模型成功地解释了原子核的幻数、自旋、宇称、磁矩、β衰变和同质异能素岛等实验事实。由于原子核壳层结构模型所获得的成功，及其在核物理研究中的重要作用，迈耶和詹森共同获得1963年诺贝尔物理学奖。

核壳层模型是在大量的关于核性质、核谱以及核反应实验数据综合分析的基础上提出的，它对原子核内部核子的运动给出了较清晰的物理图象。这一模型的核心是平均场思想。它认为，就像电子在原子中的平均场中运动一样，在原子核内，每个核子也近似地在其它核子的平均场中做独立的运动，因此原子核也应具有壳层结构，通常把这一模型称为独立粒子核壳层模型。

平均场的思想使核壳层模型取得了多方面的成功，但是它也具有不可避免的局限性，因为核子之间的相互作用不可能完全由平均场作用代替。除了平均场以外，核子之间还有剩余相互作用。随着核物理研究的发展，在50年代以后，陆续发现一些新的实验事实，如大的电四极矩、磁矩、电磁跃迁几率、核激发能谱的振动谱、转动谱以及重偶偶核能谱中的能隙等，它们都不能用独立粒子的核壳层模型解释。

1953年，丹麦物理学家、著名物理学家N.玻尔之子阿·玻尔（Aage Niels Bohr，1922～）与他的助手莫特森（Ben RoyMottelson，1926～）及雷恩沃特（Leo JamesRainwater，1917～）共同提出了关于原子核的集体模型。这一模型认为，除平均场外，核子间还有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之间关联，这种关联是对独立粒子运动的一种补充，其中短程关联引起核子配对。描述这种关联的核子对模型已经得到大量的实验支持。核子间的长程关联将使核变形，并产生集体运动，原子核转动和振动能谱就是这种集体运动的结果，而重核的裂变以及重离子的熔合反应又是原子核大变形引起的集体运动的结果。原子核的集体模型认为，每个核子在核内除了相对其它核子运动外，原子核的整体还发生振动与转动，处于不同运动状态的核，不仅有自己特定的形状，还具有不同的能量和角动量，这些能量与角动量都是分立的，因而形成能级。正因如此，与只适用于球形核的独立粒子壳层模型相比，原子核的集体模型有了很大的发展。用它可以计算核液滴的各种形状对应的能量和角动量。此外，当核由高能级向低能级跃迁时，能量通常还能以γ射线的形式释放出来，这一特征正与大量处于稳定线附近的核行为相符。此外，根据这一模型，当核形状固定时，转动惯量不变，随着角动量加大，核形状变化，转动惯量相应改变，导致转动能级变化，因此，这一模型对变形核转动能级的跃迁规律的研究，已成为研究奇异核的基础。原子核集体模型解决了独立粒子核壳层模型的困难，成功地解决了球形核的振动、变形核的转动和大四极矩等实验事实，为原子核理论的发展作出重要的贡献，为此，阿·玻尔、莫特森与雷恩沃特共同获得了1975年诺贝尔物理学奖。 发展核模型的目的，在于更准确地描述原子核的各种运动形态，以期建立一个更为完整的核结构理论。由于人们对于核子间的相互作用性质、规律及机制并不完全清楚，不可能像经典物理那样，通过核子间的相互作用先建立一个核结构与核动力学理论，只能依靠所建立的模型，对有实验数据的核素或能区进行理论计算，再与实验的结果相比较，根据比较结果，调整模型，再通过模型理论，估算没有实验数据的空缺能区，发展实验技术，补充空缺数据，再与理论估算相比较，如此循环往复，推动核结构理论的进展，这是一个艰苦而又漫长的探索过程。截止到70年代初，核结构理论的进展大多在传统的范围内发展着。

传统核结构理论的特点是：

①没有考虑核子的自身结构；

②处理核力多为二体作用，把核内核子间的作用，等同于自由核子间的相互作用；

③认为核物质是无限的；

④应用的是非相对论的量子力学；

⑤研究对象是通常条件（基态或低激发态、低温、低压、常密度等）下的自然核素。

从70年代中到90年代，核物理的研究跳出了传统范围，有了巨大的进展。首先是实验手段的发展，各种中、高能加速器、重离子加速器相继投入运行；与此相应，探测技术的发展不仅扩大了可观测核现象的范围，也提高了观测的精度与分析能力；核数据处理技术由手工向计算机化的转变，更加速了核理论研究的进程。受到粒子物理学和天体物理学发展的影响，核物理理论也开始从传统的非相对论量子核动力学（QND）向着相对论量子强子动力学（QHD）和量子色动力学（QCD）转变。一个以相对论量子场论、弱电统一理论与量子色动力学为基础的现代核结构理论正在兴起。虽然由于粒子物理已成为一门独立学科，核物理已不再是研究物质结构的最前沿，但是核物理的研究却更进入了一个向纵深发展的崭新阶段。

原子核的集体模型除了平均场外，还计入了剩余相互作用，因而加大了它的预言能力。然而，核多体问题在数学处理上的难度很大，这给实际研究造成很大的困难。近十几年来，有人提出了各种更为简化的核结构模型，其中主要的有液点模型，它的特点是反映了原子核的整体行为和集体运动，能较好地说明原子核的整体性，如结合能公式、裂变、集体振动和转动等。除了液点模型外，还有互作用的玻色子模型（IBM），这一模型也是企图用简化方法研究核结构。由于人们除了对核子间的核力作用认识不清以外，又由于原子核是由多个核子统成的多体系统，考虑到每个核子的3维坐标自由度、自旋与同位族自由度，运动方程已无法求解，加上多体间相互作用就更难上加难。过去的独立核壳层模型强调了独立粒子的运动特性，而原子核集体模型又强调了核的整体运动，这两方面的理论没能做到很好的结合。尽管核子的多体行为复杂，无法从理论计算入手，实验观察却发现，原子核这样一个复杂的多费密子系统，却表现出清晰的规律性与简单性。这一点启发人们，能否先“冻结”一些自由度，研究核的运动与动力学规律，从简单性入手研究核，这就是互作用玻色子模型的出发点。

1968年，费什巴赫（Feshbach）与他的学生拉什罗（F. lachllo）在研究双满壳轻核时，把粒子-空穴看成为一个玻色子，提出了相互作用玻色子概念。1974年，拉什罗把这一概念用于研究中、重偶偶核，他与阿里默（A. Arima）合作，提出了互作用玻色子模型。这一模型认为，偶偶核包括双满壳的核实部分与双满壳外的偶数个价核子部分。若先把核实的自由度“冻结”，把价核子配成角动量为0或2的核子对，即可把费密子对处理为玻色子，用玻色子间的相互作用描述偶偶核，可以使问题大大简化。他们的这一模型在解释中、重原子核的低能激发态上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更为成功之处是，它预言了原子核在超空间中的对称性。它指出核转动、核振动等集体运动行为是核动力学对称性的反映。由于对核动力学对称性的揭示，这一模型虽然比较抽象，却更为深刻也更为本质。在过去，提到对称性，往往被认为是粒子物理学的研究课题。其实，核物理也是对称性极为丰富的研究领域。最早注意到核对称性的是匈牙利裔美国物理学家、狄喇克的妻兄维格纳（Eugene Paul Wigner，1902～）。维格纳毕业于柏林大学化学系，1925年获得博士学位，1930年与诺伊曼（JohnvonNeumann，1903～1957）一起被邀请到美国，担任普林斯顿大学数学物理教授。1936年，两人共同创立中子吸收理论，为核能事业做出重大贡献。1937年，维格纳基于核的自旋、同位旋，引入超多重结构，建立了宇称守恒定律。由于对原子核基本粒子理论的贡献，特别是对对称性基本原理的贡献，维格纳获得了1963年诺贝尔物理学奖。继维格纳，对原子核动力学对称性进行更深入研究的是埃里奥特。1958年，埃里奥特研究了谐振子场的对称性，建立了玻色子相互作用的SU（3）动力学对称性理论，这一理论与质量数A在16～24的核理论有很好的符合，但对于A较大的核，由于自旋-轨道耦合，使这种对称性遭到破坏，而偏离很大。在1974年拉什罗和阿里默提出的互作用玻色子模型中，将角动量为0的玻色子称为s玻色子，角动量为2的玻色子称为d玻色子，s、d玻色子展开一个6维超空间，系统状态的任何一种变化，都可以通过6维空间的么正变换实现，这种么正变换构成U（6）群。原子核的角动量守恒即与空间转动不变性相联系，即s、d系统具有U（6）的对称性。他们还发现，s、d玻色子系统存在三个群链，

①U（6）U（5）SO（5）SU（3），简称U（5）极限。

②U（6）SU（3）SO（3），简称SU（3）极限。

③U（6）SO（6）SO（5）SO（3），简称SO（6）极限。

在三个群链情况下，与s、d玻色子相互作用相关的哈密顿量均有解析解，原子核具有相应群的对称性。在三种极限情况，能量本征值对角动量都有确定的依赖关系，动力学对称性也依能级次序的表现而不相同。总之，这一研究成果揭示了原子核结构与动力学的对称性，并与实验结果取得了很大程度上的一致，IBM理论取得了很大的成功。