原子核集体运动叶剑

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1、1核结构研究概况原子核是由中子和质子(统称核子)组成的,核子之间存在着复杂的相互作用。由于核力的复杂性及量子多体问题,人类对核结构的认识是逐步展开的。早在19n年,卢瑟福仁(Rutllerford)进行了著名的a粒子对原子的散射实验[1],证实了原子的有核模型,揭开了人类认识原子核结构的序幕。紧接着,他又成功地进行了人工核反应实验,用a粒子从氮核中打出了质子。19犯年,查德威克(chadwick)发现了中子。其后,海森堡(Heisenberg)等人提出了原子核是由质子和中子组成的假说。至此,原子核的组成问题得到了圆满的解决。三十和四+年代,核结构研究主要集中于原子核的

2、大小,质量,结合能以及裂变和巨共振等方面的性质。1935年,W亡izsacker基于理论上的一些考虑,提出了原子核结合能的半经验公式[2],较好地解释了原子核结合能与核子数之间的关系以及不同原子核结合能之间的差异。后来发展的费米气体模型[3]从理论上导出了结合能公式,和W亡izsacker提出的半经验公式类似。四十年代末至五十年代初,人们开始了对核结构进行深入系统的理论研究。但是,由于原子核内部结构的复杂性,人们还无法解A个粒子的薛定愕方程来解决核结构问题,于是先后提出了各种模型。1949年,Mayer和Jensen从平均场理论出发,提出了具有强自旋轨道藕合的壳模型[

3、4]。该模型把原子核看成一个球形势阱,每个核子处在所有核子所形成的球形平均势场中运动,且核子的运动存在着很强的自旋轨道祸合。这样的势能够给出壳层结构,解释了原子核内核子填充的“幻数”(magicnumber),使初看起来杂乱无章的原子核基态和低激发态的性质展现出一些系统性,特别是基态的自旋和宇称,绝大多数可由简单的壳模型正确给出。将球形势推广到变形势可得变形核的单粒子能级一Nilsson能级陈6]。从而不仅可以说明球形核的基态性质,也可说明变形核的基态性质。因此,可以说壳模型获得了很大的成功。然而单粒子(或只计及少数粒子的)壳模型,只在满壳附近比较适用。当满壳外只有一

4、个粒子,或满壳内只有一个孔穴的情况,原子核的低激发谱比较简单,其自旋和宇称基本上由单核子激发决定。随着满壳外粒子数的增加,能谱很快变得很复杂,低激发能级的密度也逐步增大。但在远离满壳的区域,如A之225,150

5、为漂亮的集体运动的规律,进而提出了原子核集体运动的Bohr-Mottelson模型价一9]。Bohr-Mottelson模型非常成功地描述了原子核的集体振动与转动,成为很多理论和模型的基础。实际上,集体运动和单粒子运动不是相互独立的,它们共存于原子核统一体系中。五十年代末至六十年代初,对关联开始引起人们的注意。1958年,Bohr,Mottelson和PineS根据原子核质量和丰度以及能谱和转动惯量等表现出的一系列奇偶差现象,指出核子之间存在较强的对关联I,。]。他们把金属超导物理中的Bes四(Bardeen一eooper一Schrie月七l,)理论移植到原子核的研究

6、中来,成功地解释了原子核低激发谱中表现出的奇偶差现象。后来,很多人把BCS方法移植到原子核的研究中来[l'一,4]并取得了成功。此方法的特点是把一个复杂的相互作用多粒子问题简化成一个独立的准粒子体系问题,概念清楚,计算简单。在这基础上可方便地处理其它剩余相互作用,并且进一步考虑了转动的影响还可处理高自旋态问题等。后来,Bohr还研究了与对关联相联系的集体运动—对振动与对转动。六十年代后期,随着重离子加速器的建立和探测技术的进步,人们开始制备和研究高自旋核态。七十年代初发现回弯(backbending)现象口'〕之后,高速旋转下原子核性质的变化成为核结构研究的热点。它们

7、包括:回弯机制、带交叉频率和带相互作用强度、角动量顺排、三轴变形、对关联相变及带终结等。关于回弯机制,曾经提出过各种方案。目前公认为正确的是StePhens一Simon的带交叉[l6}观点,即认为由于科里奥利力(Coriolis)作用而使激发带与基带发生了带交叉,这样晕带就由基带和一个激发带构成,如果激发带的转动惯量比基带大得多,就可能出现回弯。八十年代后,超形变(SD)核态逐渐成为核结构领域最热门的前沿课题。1986年,人们首次在'52场核中观测到了高自旋sD核态口7]。紧接着,一大批超形变带从实验上诞生。实验上测得的超形变带一般都由十几到二十多条