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核物理前沿发展的深入总结

时间:2006-11-23栏目:物理论文

 中国原子能科学研究院丁大钊、陈永寿和张焕乔三位研究员编著的《原子核物理进展》,是一本全面介绍核物理前沿的专著。该书对近10年来原子核物理的主要成就及下世纪初三个重要的发展研究领域做了系统的论述,并适当结合作者和我国其他科研工作者的研究成果。它可引导青年研究者直接达到原子核物理学的最前沿。对于从事天体物理、粒子物理、凝聚态物理等方面研究的研究人员,本书也极具参考价值。恰逢天然放射性发现100周年及王淦昌教授90华诞前夕,正是王教授的学生编……
  朱光亚教授为本书所作的序言对原子核物理学的产生、发展、与其他学科的交叉、及下一个世纪的展望做了极好的描述。原子核物理研究的基本问题包括:核的构成及“版图”是怎样的?核子间相互作用及其表现形式是怎样的?核的转化规律是怎样的?……随着加速器技术、探测器技术和计算机技术的发展,人们可以获得更高能量及各种种类的离子(包括放射性离子),它可用作炮弹去轰击各种不同的原子核(靶核),产生各种核反应产物,从而研究原子核物理学的各种基本问题。促使原子核物理学在更高激发能、更高角动量和更大同位旋等的自由度内不断开拓新领域。
  本书基本上是围绕着这个发展主线来描述的。全书共分八章,第一章绪论,概述了80年代以来原子核物理发展的主要成就,并展望今后可能取得重大进展的前沿方向,非常值得普通读者一读。第二至第五章分别论述了核结构和亚位垒融合及核裂变理论方面的最新成就。第六至第八章分别论述了下世纪初期原子核物理研究的三个前沿领域:中高能核-核碰撞,亚核子自由度研究和放射性束物理。
  核结构一直是原子核物理学研究的中心课题之一在证实原子核由质子和中子组成的假设并建立了核的壳模型和集体模型以后,出现了两个新领域——原子核的高自旋态研究和巨共振研究,揭示原子核在快速转动和具有更高激发能时的核结构特性。最近几年随着放射性核束装置投入使用,当强烈改变核内中子数和质子数平衡,推向质子滴线和中子滴线时的原子核结构特性已引起人们的极大兴趣。本书第二、三章详细介绍了这些方面的新进展和发展前景,详细介绍了高自旋态研究中发现的回弯现象。有些现象的物理内涵至今还没有搞清楚。特别地,为了便于读者理解,作者对于巨共振的一般知识和各种巨共振模式做了系统介绍,并着重介绍了新的中子晕核产生的软模式巨共振,建立在激发态上的巨共振,巨共振的各种衰变方式,原子核自旋同位旋激发,磁巨共振,高温转动核的巨共振等前沿课题。
  核裂变的发现是原子核物理基础研究的产物,并已得到了广泛的应用,但是有关核裂变的许多问题尚未完全搞清楚,一直还是原子核研究的一个重要方面。本书第四、五章论述垒下重离子融合裂变反应和原子核裂变,也提到了作者在这方面的近期成果,内容丰富,有的现象用理论解释还有偏差。作者也介绍了最近少量有关中子晕(皮)核的近垒和垒下裂变反应的实验及两种相反的理论预言,并预计这方面研究将开辟重离子核反应的新方向。对通常原子核的裂变反应以及现有的核裂变的液滴模型、裂变道理论、裂变理论的壳修正、核裂变的扩散模型、用多维输运过程来研究裂变动力学以及裂变理论中的量子修正,书中都有介绍。并对形状同质异能态现象、裂变中的延迟现象等实验及其理论进行了详尽的描述。对耗散裂变从唯象描述到微观理论的发展,作者给出了一个极好的展望。对裂变过程中的时标和核的粘滞性直到裂变理论和相关的非平衡态理论的关系也有很好的描述。
  从第六章开始本书着重描述下世纪原子核物理可能会取得重大进展的三个前沿领域。第六章是有关中高能和相对论性核-核碰撞的,其中重大课题有:核物质的状态方程;核物质相变,包括液气相变和夸克-胶等离子体(QGP)的产生;热核性质和多重碎裂衰变的新模式等。宇宙初期大爆炸时可能产生QGP,这是人们从未认识过的新物态。作者从介绍核态方程的一般知识开始,进而较为详细地介绍了理论研究的现状,包括玻耳兹曼-乌林-乌伦贝克(BUU)方程,量子分子动力学方法(QMD)及核-核碰撞的输运模型的蒙特卡罗模拟,然后描述中高能核-核碰撞的有关实验及其解释。最后详细地介绍了QGP产生的有关实验和实验上诊断QGP产生的方法。对QGP的研究将对原子核物理,粒子物理和天体物理产生重大影响,但到目前为止,还没有一个实验明确表明QGP的存在。人们期待着20世纪末美国相对论性重离子加速器RIHC的运行及其实验结果。除了通过观察中子星和超新星爆发可以获得部分有关高温高密核物质的信息外,中高能核-核碰撞是目前实验室中研究高温高密核物质的唯一途径,这方面将有许多新的结果出现。
  自80年代放射性核束装置问世以来,人们发现了中子晕核等一系列新现象。国际核物理学界普遍认为,放射性核束物理,包括它在天体物理和其他相关学科的应用是今后一个较长时期内原子核物理学重要的前沿领域之一。本书第七章对放射性核束产生的方法和有关装置做了详细的介绍,特别介绍了我国学者提出的兰州重离子加速器冷却储存环装置和北京放射性核束装置。这是一个方兴未艾的新领域。许多发现对传统核理论模型提出了尖锐的挑战。利用放射性核束进行的核反应和传统的核反应有很多不同之处,特别是一些学者提出用这种核反应来合成超重元素,从而扩展人们已经知道的元素种类,放射性核束将大大提高人们合成新元素并研究这些新核素的性质的能力。自然界除了200多种稳定核素外,理论预言大约还有6000个以上的不稳定核素,到目前为止人们合成了其中的2000多个,放射性核束将使人们更容易去合成这些未知的核素,特别是当这些核素越来越接近于中子滴线和质子滴线时,将表现出许多新奇的性质,发现并解释这些性质将是对原子核物理学的重大挑战。
  放射性核束的产生和应用还打开了核天体物理学的新局面,它主要研究宇宙和天体中各种元素及其同位素的核合成机制、时间、物理环境和宇宙场所。核反应在天体演化和宇宙演化中起着极其重要的作用,它是恒星和超新星爆发的主要能源,导致了天体和宇宙中各种化学元素和同位素的产生。迄今为止,天体物理学感兴趣的一些核反应的截面及其随能量的变化,多半是通过理论计算或是从较高能区的实验数据外推到天体核反应发生的能区而得到的,而且特别缺少不稳定核的数据,放射性核束正好可以填补这个空缺。实验核天体物理学正在进入一个以放射性核束引起的热核反应为重点的新的发展阶段。书中对宇宙大爆炸后初始核合成,主序星和高温天体环境中氢的燃烧,天体中比较重的元素的合成所需的核反应及相应的实验方法都做了介绍。
  本书的最后一章是有关原子核亚核子自由度及量子色动力学(QCD)的。目前人们普遍相信基于夸克和胶子自由度的量子色动力学是强相互作用的基本理论。组成原子核的粒子是由三个夸克构成的体系,因此原子核的运动和作用规律必然反映比核子更深层次的物质规律。原子核物理的最终目标是把核介质现象与夸克胶子及相应的QCD理论联系起来。因此它将是今后很长一段时间内原子核物理研究的中心之一。本章较为详细地介绍了已取得很多成功的核力的介子交换理论,表明原子核的性质不仅由质子与中子组成的量子多体系统及集体运动决定,还必须引入亚核

子自由度,即介子、核子共振态以及反核子等强子自由度,进而阐述了核多体问题的相对论粒子-介子模型及其在核结构和奇异核研究方面取得的成功。然后又简短地介绍了在粒子物理学中取得成功的夸克模型,强相互作用的量子色动力学(QCD)和把QCD及电弱相互作用理论结合构成的基本粒子理论的标准模型。
  在此基础上,作者还详细介绍了正在逐步形成学科前沿的核色动力学。目前主要向两个方面进行探索,即利用夸克和胶子自由度对高能(即短距离)过程的强子和核性质及动力学进行探索;研究在低能(长距离)时QCD的性质。这是对强子、核力和其他重子-重子相互作用及核现象的描述。这部分内容涉及原子核物理的根本基础,在这个方向上原子核物理正在和粒子物理发生交叉,无疑这对于人们更好地理解分子-原子-原子核-核子-夸克等物质结构“链条”中各部分的作用及其相互关系起到极大的推动作用。
  


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