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原子核直观结构介绍
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原子核的直观结构(I)
原子核是物质结构的一个层次,它介于原子与粒子之间,是由质子与中子(统称核子)组成的非相对论量子多体体系。此量子多体体系的结构图象是由核内的质子与中子依靠一种短程的强相互作用力来维系的。这种核子间的强相互作用,称为核力或者强力。
目前,对原子核的结构及其运动规律的了解是“多侧面”的:它既具有“独立”核子在由其它核子构成的平均场中运动的性质,而又突出地具有核子间有强耦合的集体运动性质;它既是一个由核子构成的非相对论量子多体体系,而又反映介子、重子乃至夸克自由度的复杂介质;它既是一个有一定量子数的有序物质状态,而又表现出明显的统计性及在一定条件下具有量子混沌的行为,由于核力问题并没有根本解决,各式各样的核结构型虽在一定程度上从某些侧面成功描写了原子核结构所表现出的丰富多彩的多样性,但也都有各自的问题、困难和局限性。〔1〕
因此,我们如何才能用简单、单一的描述来说明原子核这个体系的性质及其运动规律呢?如何使各种核模型统
一起来呢?也就是说,各种核子宄竟是按一种什么样的规律组合在一起的,原子核的真实直观结构是怎样的,这是从根本上解决核力问题的关键。以下论述是本文作者的一种大胆尝试!
一、核子间核力作用的饱和性
由于核子是有内部结构的粒子,我们把它们想象成象
原子或离子那样,能够相互成键。我们把各种核子间形成的核力(近似地说是静态的,与核子速度无关,但存在与速度相关的力),统称为核键,即核子间通过传递、交换兀介子而相互成键(兀介子的静止能量比核内核子的动能大得多),从而出现了兀介子云的叠,就像电子云的重叠那样。这是一种短程吸引力,作用范围小于是10-15米,既使在这么小的范围内,键长也是变化的,一般中子与质子之间形成的核键的键长较短,中子与中子、质子与质子之间形成的键长较长。在原子核内,具有最短键长的核键的单个键能即为核子平均结合能。(e V)。一般成键后的不同核子不能互相转化。
核子间的成键与原子成键相似,很具有饱和性。就是说,一个核子同直接与之接触的不同类核子有核力作用后,同其它核子无核力作用。一个质子最多只能同两个直接与之接触的中子成键,而质子成键达完全饱和键态,即
H,空间平面直观结构可能为“O®O”(O-中子,©
-质子)。而一个中子最多也只能同两个直接与之接触的质子成键达完全饱和键态,即He,空间平面直观结构为“® O©”。中子(质子)之间成键不具饱和性,一个中子同直接与之接触的中子都能成键,但结合得不紧密,是一种弱的束缚,易因中子的激发而被自动破坏。
原子核的直观结构来自:绿色软件网
二、原子核的直观结构
既然核子成键具有饱和性,那么它们是怎样组成稳定的原子核的呢?原来,原子核并不是那种单纯的“核”,而是由质子和中子较均匀地相间排列成键,然后首尾相连而构成的核子环,围绕其自身的轴线高速转动而形成的壳层结构的带电液滴球核。由于核子都集中在核子环上,因此核内是空心的,即原子核具有空虚的质心。核环转动形成的球形核就象乒乓球一样,形成的橢圆形核就象蛋壳一样。核环的成环张力是由核子环上所有质子相互推斥提供的。这样,原子核外观表现为质子间的较大库仑斥力,使核环伸张,内观则表现为核子间的核力,这种强力使核子一个拉着一个,使核收缩,从而产生核的表面张力,但核的表面张力远大于质子间的斥力,之所以能维持平衡,是因为核力具有饱和性的缘故。另外,因核的转动使核子产生离心力。原子核内的斥张力及离心力同核的表面张力的相互抗衡,维持着原子核空间结构的相对稳定存在。
在核子环上,每个核子只与它两侧的核子有核力作用, 形成两个核键达饱和,而与其它的核子一般不再有核力作用。这就是核力在原子核内的饱和性,正由于这种饱和性, 使原子核这个多体体系的性质从复杂归于简单、单一,核子环成为环上任一核子运动的平均场。
三、原子核的运动形式
原子核的核环上质子均匀排列的空间有序性,与核外电子的规则排布相联系。核子环的自转是环上所有核子独立运动有矢量和,即单粒子运动必须服从或服务于统一的整体转动,这是综合模所描述的__核子在核内单粒子运动与集体运动相耦合。原子核作为一个微观量子体系,核子环的集体转动并非像流体那样作非旋转动,它的集体转动是指原子核势场空间取向的变化。〔2)
由于核子环整体向一定方向自转(顺时针或逆时针), 质子也都相应做环系运动,从而产生环系电流,这样就使原子核中显示出质子的正电移动性一一质子流。因此,它们的统一运动产生了相同的磁场,这样核环就有了较