原子核的直觀結構

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文作者: 張國輝
上傳時間:2003/3/18 13:33:00

關鍵詞:核鍵 核子環 次中子

Atomic Nucleus Looking Directly Structure Zhang Guo-hui
(nnnEngineer,No.8 Tiexi Rd. Liaoyang, Liaoning CHINA 111004)

Key Words

Nuclear key,nuclear ring
Second neutron


原子核的直觀結构(I)

論文摘要
從根本上解决核力問題,進而得到一個自然界的普遍規律,即原子核是由質子與中子較均勻地相間排列,然後首尾相連而構成的核子環,圍繞其自身的軸線高速轉動而形成的殼層結構的帶電液滴球核。核子環的成環張力是由核環上所有質子相互推斥提供的,這樣就得到了原子核這個微觀量子多體系的直觀結構圖象----核子環。

關鍵词:核鍵 核子環 次中子

Atomic Nucleus Looking Directly Structure

ABSTRACT
To attack the problems of nuclear force at the root,thus obtain a universal law of nature.That is,atomic nucleus is a nuclear ring formed by protons and neutrons alternately arrange as keys in a more even order,then the head and the tail connect,and the forming nuclear ring can self-rotate at a high-speed about self-axis,so that forming a shell structure charged liquid spherical nucleus.The forming ring tension of nuclear ring is provided by protons repel one another.So We have
obtained atomic nucleus,the architecture of microscopic quantum many-body,Looking directly structure image-nuclear ring.

原子核的直觀結構(I)
原子核是物質結構的一個层次,它介於原子與粒子之間,是由質子與中子(統稱核子)組成的非相對論量子多體體系。此量子多體體系的結構圖象是由核內的質子與中子依靠一種短程的強相互作用力來維系的。這種核子間的強相互作用,稱為核力或者強力。
目前,對原子核的結構及其運動規律的了解是“多側面”的:它既具有“獨立”核子在由其它核子構成的平均場中運動的性質,而又突出地具有核子間有強耦合的集體運動性質;它既是一個由核子構成的非相對論量子多體體系,而又反映介子、重子乃至誇克自由度的復雜介質;它既是一個有一定量子數的有序物質狀態,而又表現出明顯的統計性及在一定条件下具有量子混沌的行为,由於核力問題並沒有根本解決,各式各樣的核結構型虽在一定程度上從某些側面成功描寫了原子核結构所表現出的豐富多彩的多樣性,但也都有各自的問題、困難和局限性。〔1〕
因此,我們如何才能用簡單、單一的描述來說明原子核這個體系的性質及其運動規律呢?如何使各種核模型統一起來呢?也就是說,各種核子究竟是按一種什麽样的規律組合在一起的,原子核的真實直觀結構是怎樣的,这是從根本上解決核力問題的关鍵。以下論述是本文作者的一種大膽嘗試!
一、核子間核力作用的飽和性
由於核子是有內部結構的粒子,我們把它們想象成象原子或離子那樣,能夠相互成鍵。我們把各種核子間形成的核力(近似地說是靜態的,與核子速度無關,但存在與速度相關的力),統稱為核鍵,即核子間通過传遞、交換兀介子而相互成鍵(兀介子的靜止能量比核內核子的動能大得多),從而出現了兀介子云的疊,就像電子雲的重疊那樣。這是一種短程吸引力,作用範圍小於是10-15米,既使在這麽小的範圍內,鍵長也是變化的,一般中子與质子之間形成的核鍵的鍵長較短,中子與中子、質子與質子之間形成的鍵長較長。在原子核內,具有最短鍵长的核鍵的單個鍵能即為核子平均結合能。(8-8.5Mev)。一般成鍵後的不同核子不能互相轉化。
核子間的成鍵與原子成鍵相似,很具有飽和性。就是說,一個核子同直接與之接觸的不同類核子有核力作用后,同其它核子無核力作用。一個質子最多只能同兩個直接与之接觸的中子成鍵,而質子成鍵达完全飽和鍵態,即
H,空間平面直觀結構可能為“⊙⊕⊙”(⊙-中子,⊕-質子)。而一個中子最多也只能同兩個直接與之接觸的质子成鍵達完全飽和鍵态,即He,空間平面直觀結構為“⊕⊙⊕”。中子(質子)之間成鍵不具飽和性,一個中子同直接與之接觸的中子都能成鍵,但結合得不紧密,是一種弱的束縛,易因中子的激發而被自動破壞。轉贴於 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
二、原子核的直觀結構
既然核子成鍵具有飽和性,那麽它们是怎樣組成穩定的原子核的呢?原來,原子核並不是那種單純的“核”,而是由質子和中子較均勻地相間排列成鍵,然後首尾相連而构成的核子環,圍繞其自身的軸線高速轉動而形成的殼層結構的帶电液滴球核。由於核子都集中在核子環上,因此核內是空心的,即原子核具有空虛的質心。核環轉動形成的球形核就象乒乓球一樣,形成的橢圓形核就象蛋壳一樣。核環的成環張力是由核子环上所有質子相互推斥提供的。這樣,原子核外觀表現為質子间的較大庫侖斥力,使核環伸張,內观則表現為核子間的核力,這種強力使核子一個拉著一個,使核收縮,從而產生核的表面张力,但核的表面張力遠大於質子間的斥力,之所以能维持平衡,是因為核力具有飽和性的緣故。另外,因核的轉動使核子產生離心力。原子核內的斥張力及離心力同核的表面張力的相互抗衡,維持著原子核空間结構的相對穩定存在。
在核子環上,每個核子只與它兩側的核子有核力作用,形成兩個核鍵達飽和,而與其它的核子一般不再有核力作用。這就是核力在原子核內的飽和性,正由於這種飽和性,使原子核這個多體體系的性質從復杂歸於簡單、單一,核子環成為環上任一核子運動的平均場。
三、原子核的運動形式
原子核的核環上質子均勻排列的空間有序性,與核外電子的規則排布相聯系。核子環的自轉是環上所有核子独立運動有矢量和,即單粒子運动必須服從或服務於统一的整體轉動,這是綜合模所描述的——核子在核內單粒子運動與集体運動相耦合。原子核作為一個微觀量子體系,核子環的集體轉動並非像流體那樣作非旋轉動,它的集體轉動是指原子核勢場空間取向的變化。〔2〕
由於核子環整體向一定方向自轉(順時針或逆時針),質子也都相应做環系運動,從而產生环系電流,這樣就使原子核中顯示出質子的正電移動性——质子流。因此,它們的統一運動產生了相同的磁場,這樣核環就有了較固定的旋軸線——核軸線(沿磁極方向,就象地磁線一樣)。中子也同樣產生中子流,中子流與質子流,它們占據著各自的量子軌道(能級),雖然通過核子——核子相互作用,不斷地交換著能量、動量和角動量,但它們大體上保持着相對的獨立性,即從總體上看,它們近似地保持著原來的运動狀態, 這正是独立粒子模型,即殼模型所描述的。核子的高能級軌道是與轴線垂直的核的腰部,核子的低能級轨道是軸線附近的核的端部。這樣,核內核子表现出兩重性——粒子空穴性,核内核子的填充狀態是一種軌道运動的幾率分布,不再以費米面作為占據或空缺的自然分界線,這是引入準粒子時所描述的。而核子環轉動所形成的相對薄的表面及核子环的變形使核物質有低的可壓縮性,正是液滴模型的兩個基本假設。〔3〕
核子環上的核子大體上可看成是在同一個平面上,圓面的轉動形成了旋轉球體的原子核。核環上的核子時時刻刻都在平衡形狀附近做或強或弱的形狀振動,這種振動從外觀上看是原子核體積不怎麽變化的表面振动。如果因個別核子的動能(破壞核環形狀的)太大,迫使核環發生形變,离開原來的平衡形狀,成為椭圓環,它們在轉動時就成為椭球體,這樣就形成了某些原子核電荷分布的非球對稱,而是具有旋轉橢圓球的對稱性。正是由於核子繞軸線轉動形成的对稱性,使核子在軌道上運動具有如下特點:在同一能级的軌道上,可能運動著核子環上對应著的一對質子或一對中子。也就是说,在同一量子軌道上運動着一對核子。
四、原子核的穩定性
在原子核中,質子與中子的有機組合構成了原子核真实的直觀結構。在核環上有多少個核子,就應有多少個核鍵,如12C核環上有12個核键,13C則有13個核鍵。這些核鍵是一個統一的整体,破壞一個原子核,必須給予其核子環上应有的若幹個核鍵的總能量——總結合能E總。
一些稳定的原子核(包括基態核)的平面直觀結構(可能的軸線)如下圖所示: 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
He Li Li Be
同它們結构相似的又如12C、13C、14N、15N、16O、17O、20Ne、23Na、32S、40Ca等等。
一般情況下,原子核最穩定的結構是中子與質子均勻相间排列的核子環,且N=Z。它们是“具有高度的中子-質子對稱性的球形自轭核”,它們的核環上任一核子都達到了完全飽和鍵態,中子與質子結合得很紧密,電荷分布為球對稱,如奇奇核14N和偶偶核16O等。在這樣的核環上加入(或去掉)一個或幾個中子成鍵,在核環一處或幾處出現了剩余相互作用,即相同核子間出現了不飽和核力,核圓環可能因此變形為橢圓環,從而形成了近球形核。以上正是平均場理論所描述的。〔4〕
對於中子數多於质子數較多的中等核及重核,它們的核環上可每相隔兩个中子再排列一個質子,形成的核也是穩定的,即Z≤N≤2Z。但核環上最多一處可排列三個相連的中子,如果中間的那個中子不穩定,具有很大的動能(使核環发生形變的,而非轉動的動能)。核環為阻止自身的形變,在核的表面張力作用下,會迫使其发生β-衰變,使其衰變成質子,然後與兩側的中子恰形成飽和核鍵而達到穩定。或者,此中子雖無大的形變動能,但受到核环上強大的表面張力的壓迫、沖擊,达到弱作用範圍,也會發生β-衰變,這就是重核的β-衰變。
在飽和的核環一处去掉一個中子(可加入一個質子),會使两個質子直接作用,達到了弱作用範圍,其中的一個质子會發生β+衰變,衰變成一個质量僅次於質子的中性新粒子——次中子,然後重新形成核键。但次中子是不穩定的,它能吸收光子(γ→e+e),而轉變成中子,如发生β+衰變後的重核伴随著正負電子對的吸收現象,就反映了次中子的這一特性。如果質子不發生β+衰變,也可通過俘獲K電子使其中的一個質子轉變成中子而重新形成穩定的核鍵。可見,中子与質了在原子核內互相限制、彼此制約,並且中子在原子核內的作用就是起到連接質子的作用。當中子數少於質子數時,原子核就會不穩定,會發生β+衰變或K俘獲。雖然核自由中子會發生β-衰變,但在原子核內與質子成鍵後的束缚中子不會發生ββ-衰變,這是飽和核力作用的結果。
當核環上的中子與中子直接相連時,兩個中子成鍵均未飽和,出現剩余相互作用,可仍與外來的低能量的中子形成弱的核力,但不在弱作用範圍内,不會發生β-衰變。這個中子没有能力加到核子環上去,而是在核环外圍形成很長的核鍵,因量子運動而形成核的中子暈或核的中子皮,如11Li、11Be、14Be的中子暈及6He、8He的中子皮,這些具有中子暈的或中子皮的原子核是一種弱束縛態的密度不均勻的體系。﹝5﹞
對於重核,中子與中子直接連接处較多,剩余相互作用較大,在核內起主導作用,當核環變形為梭形时,在核的兩端尖部會引起α衰變,使核環向圓環状恢復,這樣就會發射α粒子。核子環能夠變形,与轉動頻率有關。在较低角動量時,原子核形成一个中等形變的扁橢圓形狀,隨着角動量的增加,原子核具有長椭球形變或三軸形變。當角動量繼續增加時,核環將在剩余相互作用下發生裂變,此时剩余相互作用能克服質子间的斥力及轉動引起的離心力,使核子重新組合成兩個或多個子核環。以上是由原子核的轉动液滴模型所描述的。﹝6﹞
千變萬化的核反应,就是使核環上局部的核子间原來的核鍵被破壞,並重新形成更强的新核鍵的過程,同時通過發射粒子(或γ射線)進行退激發,使新結合的核環向圓環狀恢復(斥力作用),這樣就產生了新的稳定的核。在低能時,核反应為熔合蒸發、轉移和電荷交換反應;高能時,核反应為散裂、多重碎裂和裂變反應。
五、結束語
真理往往就是那樣樸素,重要的是人們要善於發现它。我希望能有更多的人接受本文思想精華,再付諸於實践,我相信對核物理的發展將带為質的飛躍!

參考文獻

1~6 丁大釗、陳永壽、張煥喬 原子核物理進展
上海:科學技術出版社 1997,559 免費論文下載中心 http://www.hi138.com



原子核的直觀結構(續篇Ⅱ)
五、核反应過程圖示淺析
我們知道核反應是遵守質量數和電荷數守恒的,而且核反應不能憑空任意發生,這是由轟擊粒子的能量及结構和靶核的結構性質所決定的。由於核子環上的核子都在一個平面上(核子間的表面张力與質子間斥力相抗衡的結果),並且保持圓環狀,這样靶核成為一個理想的核子環。由于它的軸線處的核子(端部)在旋转動能最小的低能級軌道上,易與外來粒子結合,成為發生核反应的主要反應道;而與軸線垂直的核環的腰部核子轉動动能很大,不易同外來粒子結合成鍵,如果能夠結合,轟擊粒子需要更高的能量。由此可以看出,核反應的隨機性很大,從而使核反应復雜多變。轟擊粒子與靶核的碰撞形式有非彈性的正碰和切碰兩種,並且碰撞是隨機的。對於能量很高的粒子(速度遠大於核環自旋速度),原子核往往表現出通透性,即粒子當時並未碰到核子環面上的核子,只是快速地通過了核子環空虛的中心。
原子核的結構無法從實驗中直接看到,但可以从實驗結果中反饋出來。以下核反應均為實驗所得的結果(大多數反應為熔合蒸發反應,打出準粒子)。由於核反應在瞬間即能完成,可視為核子環的自旋暫時停止(定像),轟擊粒子與核子環共面,這樣就可以把核反應過程顯示在平面上了。一些低能核反應的類型如下:
(一) α粒子所引起的核反應
⑴N+He→O+H,產生的新核是穩定的。正碰過程如下圖(註意核子間的相對位置關系,核子間應以飽和成键為原則,使其行為遵守能量最低原理):
圖1 14N(α,P)17O
在氮-14核軸線上有兩種核子——一個質子和一個中子。在此反應道上,α粒了是與其中的質子發生了正碰。氦核的中子首先與軸线處的質子成鍵,氦核的兩個質子也立即與軸線處質子兩側的中子分別同時成鍵,而原氦核的另一個中子與它本身的兩個質子並未解脫核鍵。這樣使新核环16O的核子達到全飽和鍵態。迅速解脫核键的氘核(接受到α粒子傳给的較大動能)與核子環對面軸線處的核子發生第二次碰撞,氘核的質子把軸線處的中子旁边的一個質子撞出核外,而取代了它的位置,並首先與軸線附近的那個中子(非軸線上的中子,高能級優先成鍵)成鍵而使質子达飽和(H 型),這样就完成了核子環上相同核子的替換過程,我們把這一過程稱為核子替換。原氘核的中子隨後擠入核子斷環,在核表面張力作用下,接合成新的核子環。從而形成了稳定的氧-17核。飛出核外的質子與轟擊粒相比,已損失了絕大部分的動能。這個核反應現象可以從布拉凱特的充氮雲室照片中看到,分析徑跡情況可知,分叉的徑跡即為質子的徑跡。這已由上圖中顯示出來。類似此反應的又如B+He→C+H,若這類反應發生的是切碰,則會直接釋放氘粒子,無二次碰撞反應,如He+C→N+H,產生的14N核是穩定的。
⑵B +He→N+n,在此反應道上,α粒子進攻的是10B核軸線上的中子(正碰),第二次碰撞發生核子替换打出一個中子。但新核13N不穩定,因為有兩個质子直接相連成鍵,原氘核的質子有較大的遠離核心的動能,在核的表面张力和斥力的直接作用下,易達到弱作用範圍,會發生β+衰变或K俘獲。新核衰變方程為N→C +e+γe或N+e→C+γe。產生的碳-13核是穩定的。整個過程如下圖:
圖2 10B(α,n)13N及13N的β+衰變或K俘獲
⑶Be+He→C+n,在此反應道上,α粒子必須正碰鈹-9核軸線上的中子, 產生穩定的碳-12核,如圖:
图3 9Be(α,n )12C
⑷Al+He→P+n,P→Si+e+γe或P+e→Si+γe。在此反應道上,α粒子必須正碰鋁-27核軸線附近兩個相連的中子之一。如圖4



圖4 27Al(α,n )30P及30P的β+衰變或K俘獲
⑸Na+He→Mg+H,此反應與⑷並不矛盾,在此反應道上,α粒子正碰的是鈉-23核環上的質子,產生的鎂-26核(核環上三個中子不一定直接相連)是穩定的。如圖5
圖5 23Na(α,P )26Mg
⑹Li+He→B+γ,這是個α粒子的全融合反應。在此反應道上,第二次碰撞時,氘核的质子有能力把對面核子環上中子與中子形成的较弱核鍵擊破並與其中的一個中子成鍵,而沒有發生核子替換打出質子。斷環接合成新的穩定的硼核,同時釋放成鍵鍵能γ光子。如圖6 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
圖6 7Li(α,γ)11B
(二) 中子所引起的核反應
⑴N+n→B+He,在此反應道上,入射中子把氮核環上的中子擊入核內,同時與兩個質子成鍵達饱和。進入核內的自由中子动能減小,已沒有能力發生核子替換,而是擠壓對面的核子環,使其變形,從而被兩個質子(仍与另一個中子成鍵)捕獲重新成鍵達饱和,這樣就產生了一個系统能量很低的全飽和鍵态的α輕粒子飛出核外,余下的核子恰能接合成穩定的硼-11核。如圖7
圖7 14N(n,α)11B
⑵N+n→C+H,C→N+e+e。正碰過程如下圖
圖8 14N(n,P)14C及14C的β-的衰變
從上圖可以看出,在此反應道上,入射中子碰撞的是氮核環上的質子,它代替了擊入質子的位置,而自由質子與對面核環上的質子有較大斥力作用,使其有能力發生核子替換(也可能切碰發生反應,直接撞出質子,無二次碰撞),而決不能產生α粒子。這樣,一個質子從新核中被蒸發出來。但是,由於轟擊中子破壞了原來較強的飽和核鍵,而形成的是三個中子直接相連的較弱不飽和核鍵,並仍具有入射方向上的較大動能而不穩定,受到核表面張力的壓迫而達到弱作用范圍,易發生β-衰變,轉變成的質子恰能与其兩側的中子重新形成稳固的飽和核鍵(符合能量最低原理,是原子核要求體系穩定的具體體現),從而產生了新的穩定的氮-14核。
⑶Al+n→Na+He , Na→Mg+ e+e。正碰如下圖
圖9 27Al(n,α)24Na及24Na的β-衰變
這樣,此過程中就有三種射線釋放(α、β、γ射線)。若此反應是切碰發生的,則直接蒸發出兩个中子,即Al+n→Al+2n。又如Be+n→Be+2n ,Be→He+He,雖然8Be為全饱和鍵態的核環,但由於它的核環太小,核子在振動時就有可能碰到一起重新組合成鍵,恰能形成兩個飽和的α輕粒子,這種裂變為8Be核所特有。
(三)質子所引起的核反應
⑴F+H→O+He,產生的新核是穩定的,正碰過程如下图:
圖10 19F(P,α)16O
⑵Ni+H→Co+He,產生的新核是稳定的,正碰過程如下圖:
圖11 58Ni(P,a)55Co
⑶Si+H→P+n,在此反應道上,是切碰发生的(若正碰則打出α粒子),蒸發出的中子是矽-30核環上三個直接相連的中子中間的那個。產生的磷-30核環為全飽和鍵態,是穩定的。 這種切碰也可能發生掇拾反应,如Li+H→Li+H等反应。
(四)氘核所引起的核反應
⑴Al+H→Mg+He , 產生的新核是穩定的,正碰如下圖:

图12 27Al(d,α)25Mg
⑵C+H→B+He,產生的新核是穩定的,正碰如下圖:
图13 12C(d,α)10B
⑴與⑵也可能是切碰打出α粒子,可根據蒸發出的粒子方向來判斷它們是如何碰撞反應的。
⑶Cl+H→Ar+2n,此反应是切碰的削裂反應,氘核的質子打出37Cl核環上三個直接相连的中子中間的那個,并與兩側的中子成鍵達飽和。氘核的中子解脫核鍵後沿原方向繼續前進。產生的新核是穩定的。這樣就有兩個中子被蒸發出來。
⑷Mg+H→Al+n,此反應是切碰的削裂反應,氘核的質子被核環上直接相連的兩個中子捕獲成鍵达飽和,它的中子解脫核鍵后繼續沿入射方向飛出。與此类的反應又如Be+H →Be+n,C+H→C+H。但有的削裂反應後的新核會發生β衰變,如C+H→N+n,N→C+e+γe; P+H→P+H,P→S+e+e。
(五)光致反應
高能γ光子也能破坏核鍵而擊出各種粒子,如切碰擊出中子的反應:
O+γ→O+n;Mg+γ→Mg+n產生的新核都是不穩定的,會發生β+衰变。如果蒸發出α粒子,則是光子正碰核環上的中子,此中子與對面核子不發生二次碰撞反應而產生的。光致反應还能切碰擊出P、d、t等輕粒子,實質就是光子切割下核子环的一小片斷產生的。
(六)中等離子间的高能反應
中等離子可被加速器加速而轟擊核靶,會產生用輕粒子無法獲得的不穩定同位素,如Ca+S→Kr+3n,在此反應道上,由于正碰截面小,轟擊離子動能太大,核環上的一個中子把动能直接給同一直線上的靶核的兩個對稱中子,从而打出三個中子。正碰如下圖:

圖14 40Ca(32S,3n )69Kr轉贴於 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
由於新核環上有三處為質子與質子直接相連,會發生三次β+衰變,由於有兩處在核的腰部,因轉動動能較大,高能量的質子與質子在核表面张力作用下,不會立即达到弱作用範圍內,會延緩衰變的現象。又如Si+Ni→Y+3H,正碰如下图,產生的新核是穩定的。
图15 28Si(58Ni,3P)83Y
如果反應碰撞截面增大,並且為切撞則會打出兩個質子與兩个中子,如Ca+Ge→Sn+2H+2n,在此反應道上,因能量太高,碰撞後中子與质子之間的核鍵被破壞,蒸發出來的核子全部為激發態(不易成鍵),即單個的質子與單個的中子,而不是d、α粒子。產生的新核環為全飽和鍵態,是穩定的。切碰過程如下圖:
圖16 40Ca(64Ge,2P2n)100Sn
(七)重核的衰變
如U→Th+He,由於鈾-238的核子環不穩定,因高速轉動而產生較大的形變,在核环一處變形為扁橢狀, 使不飽和核子間有機会重新組合成一個α粒子釋放(在剩余核力的作用下),从而使核環向圓環狀恢復,但新核環在接合時,恰有三個中子直接相連碰撞,在強大的核表面張力壓迫下迅速達到弱作用範圍內,使中間的那個中子發生β-衰變轉变成質子,重新與兩侧的中子成鍵達飽和。這也有利於新核環向圓環狀恢復,新產生的鏷-234核是較稳定的,衰變方程為 Th→ Pa+e+e,與此過程相似的又如重核釷-232發生的復雜衰變:Th→Pb+6He+4e+4e,不同的是其中有兩次α衰變後,在接合時只有兩個中子直接相連,不具備產生β-衰變的條件。
(八)結束語
以上論述是我對核反應過程的直覺認識,當這種認識為大家所驗證,並得到認同時,它將成為一種新的理论留予後來者參研。

————全篇完————



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