核物理简介

第一节　核物理简介

核物理是原子核物理学的简称，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。

1896年，贝克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（原子核自发地放射氦原子核粒子）或口衰变（原子核白发地放射出电子或正电子的衰变过程）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。1919年，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。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20世纪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μ子，是一种轻子），这些发现是粒子物理学的先河。

20世纪20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。到20世纪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。

20世纪40年代前后，核物理进入一个大发展的阶段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象。1942年，费米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，核物理的研究飞跃发展，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20世纪30年代，人们最多只能把质子加速到10⁶eV的数量级，而到20世纪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。

20世纪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，同时电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20世纪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和重离子核反应的研究工作。

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，并不是永恒小变的。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。在目然界中，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一各种两能射线束也是研究原子核的新武器，它们能提供某些用其它方法不能获得的关于核结构的知识。

过去通过列宏观物体的研究，人们知道物质之间有电磁相互作用和万有引力两种长程的桕互作用；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嚣的设计提供日益精确的数捌，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。

20世纪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。核能利用方面也不象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，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。曲于重离子加速技术的发展，人们已能有效地加速从氧到铀所有元素的离子，其能星可达到10⁹eV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南接加速的离子流，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。

核物理实验方法和劓线探测技术也有了新的发展。特别要指出的是，计算机和数据获取与处理系统的改进，列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窜＝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，叫以让成千个探测器同时工作。一次记录和处理几千个参最，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问相干的或两体以上的相互作用，例如z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、大变形态以及远离口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跃的时期内占据着了核物理基础研究的主要部分。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。为了研究辐劓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，其精度是其它方法难以比拟的。

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，核物理和其它学科及生产、医疗、军事等领域建立了广泛的联系，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。