原子核直观结构论文

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摘要

从根本上解决核力问题,进而得到一个自然界的普遍规律,即原子核是由质子与中子较均匀地相间排列,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。核子环的成环张力是由核环上所有质子相互推斥提供的，这样就得到了原子核这个微观量子多体系的直观结构图象----核子环。

关键词：核键核子环次中子

AtomicNucleusLookingDirectlyStructure

ABSTRACT

Toattacktheproblemsofnuclearforceattheroot，thusobtainauniversallawofnature.Thatis,atomicnucleusisanuclearringformedbyprotonsandneutronsalternatelyarrangeaskeysinamoreevenorder,thentheheadandthetailconnect,andtheformingnuclearringcanself-rotateatahigh-speedaboutself-axis,sothatformingashellstructurechargedliquidsphericalnucleus.Theformingringtensionofnuclearringisprovidedbyprotonsrepeloneanother.SoWehave

obtainedatomicnucleus,thearchitectureofmicroscopicquantummany-body,Lookingdirectlystructureimage-nuclearring.

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，各种核子究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。（8-8.5Mev）。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“⊙⊕⊙”（⊙-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“⊕⊙⊕”。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。

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，形成的椭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——质子流。因此，它们的统一运动产生了相同的磁场，这样核环就有了较固定的旋轴线——核轴线（沿磁极方向，就象地磁线一样）。中子也同样产生中子流，中子流与质子流，它们占据着各自的量子轨道（能级），虽然通过核子——核子相互作用，不断地交换着能量、动量和角动量，但它们大体上保持着相对的独立性，即从总体上看，它们近似地保持着原来的运动状态，这正是独立粒子模型，即壳模型所描述的。核子的高能级轨道是与轴线垂直的核的腰部，核子的低能级轨道是轴线附近的核的端部。这样，核内核子表现出两重性——粒子空穴性，核内核子的填充状态是一种轨道运动的几率分布，不再以费米面作为占据或空缺的自然分界线，这是引入准粒子时所描述的。而核子环转动所形成的相对薄的表面及核子环的变形使核物质有低的可压缩性，正是液滴模型的两个基本假设。〔3〕

核子环上的核子大体上可看成是在同一个平面上，圆面的转动形成了旋转球体的原子核。核环上的核子时时刻刻都在平衡形状附近做或强或弱的形状振动，这种振动从外观上看是原子核体积不怎么变化的表面振动。如果因个别核子的动能（破坏核环形状的）太大，迫使核环发生形变，离开原来的平衡形状，成为椭圆环，它们在转动时就成为椭球体，这样就形成了某些原子核电荷分布的非球对称，而是具有旋转椭圆球的对称性。正是由于核子绕轴线转动形成的对称性，使核子在轨道上运动具有如下特点：在同一能级的轨道上，可能运动着核子环上对应着的一对质子或一对中子。也就是说，在同一量子轨道上运动着一对核子。

四、原子核的稳定性

在原子核中，质子与中子的有机组合构成了原子核真实的直观结构。在核环上有多少个核子，就应有多少个核键，如12C核环上有12个核键，13C则有13个核键。这些核键是一个统一的整体，破坏一个原子核，必须给予其核子环上应有的若干个核键的总能量——总结合能E总。

一些稳定的原子核（包括基态核）的平面直观结构（可能的轴线）如下图所示：

HeLiLiBe

同它们结构相似的又如12C、13C、14N、15N、16O、17O、20Ne、23Na、32S、40Ca等等。

一般情况下，原子核最稳定的结构是中子与质子均匀相间排列的核子环，且N=Z。它们是“具有高度的中子-质子对称性的球形自轭核”，它们的核环上任一核子都达到了完全饱和键态，中子与质子结合得很紧密，电荷分布为球对称，如奇奇核14N和偶偶核16O等。在这样的核环上加入（或去掉）一个或几个中子成键，在核环一处或几处出现了剩余相互作用，即相同核子间出现了不饱和核力，核圆环可能因此变形为椭圆环，从而形成了近球形核。以上正是平均场理论所描述的。〔4〕

对于中子数多于质子数较多的中等核及重核，它们的核环上可每相隔两个中子再排列一个质子，形成的核也是稳定的，即Z≤N≤2Z。但核环上最多一处可排列三个相连的中子，如果中间的那个中子不稳定，具有很大的动能（使核环发生形变的，而非转动的动能）。核环为阻止自身的形变，在核的表面张力作用下，会迫使其发生β-衰变，使其衰变成质子，然后与两侧的中子恰形成饱和核键而达到稳定。或者，此中子虽无大的形变动能，但受到核环上强大的表面张力的压迫、冲击，达到弱作用范围，也会发生β-衰变，这就是重核的β-衰变。

在饱和的核环一处去掉一个中子（可加入一个质子），会使两个质子直接作用，达到了弱作用范围，其中的一个质子会发生β+衰变，衰变成一个质量仅次于质子的中性新粒子——次中子，然后重新形成核键。但次中子是不稳定的，它能吸收光子（γ→e+e），而转变成中子，如发生β+衰变后的重核伴随着正负电子对的吸收现象，就反映了次中子的这一特性。如果质子不发生β+衰变，也可通过俘获K电子使其中的一个质子转变成中子而重新形成稳定的核键。可见，中子与质了在原子核内互相限制、彼此制约，并且中子在原子核内的作用就是起到连接质子的作用。当中子数少于质子数时，原子核就会不稳定，会发生β+衰变或K俘获。虽然核自由中子会发生β-衰变，但在原子核内与质子成键后的束缚中子不会发生ββ-衰变，这是饱和核力作用的结果。

当核环上的中子与中子直接相连时，两个中子成键均未饱和，出现剩余相互作用，可仍与外来的低能量的中子形成弱的核力，但不在弱作用范围内，不会发生β-衰变。这个中子没有能力加到核子环上去，而是在核环外围形成很长的核键，因量子运动而形成核的中子晕或核的中子皮，如11Li、11Be、14Be的中子晕及6He、8He的中子皮，这些具有中子晕的或中子皮的原子核是一种弱束缚态的密度不均匀的体系。﹝5﹞

对于重核，中子与中子直接连接处较多，剩余相互作用较大，在核内起主导作用，当核环变形为梭形时，在核的两端尖部会引起α衰变，使核环向圆环状恢复，这样就会发射α粒子。核子环能够变形，与转动频率有关。在较低角动量时，原子核形成一个中等形变的扁椭圆形状，随着角动量的增加，原子核具有长椭球形变或三轴形变。当角动量继续增加时，核环将在剩余相互作用下发生裂变，此时剩余相互作用能克服质子间的斥力及转动引起的离心力，使核子重新组合成两个或多个子核环。以上是由原子核的转动液滴模型所描述的。﹝6﹞

千变万化的核反应，就是使核环上局部的核子间原来的核键被破坏，并重新形成更强的新核键的过程，同时通过发射粒子（或γ射线）进行退激发，使新结合的核环向圆环状恢复（斥力作用），这样就产生了新的稳定的核。在低能时，核反应为熔合蒸发、转移和电荷交换反应；高能时，核反应为散裂、多重碎裂和裂变反应。

五、结束语

真理往往就是那样朴素，重要的是人们要善于发现它。我希望能有更多的人接受本文思想精华，再付诸于实践，我相信对核物理的发展将带为质的飞跃！

附参考文献

1～6丁大钊、陈永寿、张焕乔原子核物理进展

上海：科学技术出版社1997，559

原子核的直观结构（续篇Ⅱ）

五、核反应过程图示浅析

我们知道核反应是遵守质量数和电荷数守恒的，而且核反应不能凭空任意发生，这是由轰击粒子的能量及结构和靶核的结构性质所决定的。由于核子环上的核子都在一个平面上（核子间的表面张力与质子间斥力相抗衡的结果），并且保持圆环状，这样靶核成为一个理想的核子环。由于它的轴线处的核子（端部）在旋转动能最小的低能级轨道上，易与外来粒子结合，成为发生核反应的主要反应道；而与轴线垂直的核环的腰部核子转动动能很大，不易同外来粒子结合成键，如果能够结合，轰击粒子需要更高的能量。由此可以看出，核反应的随机性很大，从而使核反应复杂多变。轰击粒子与靶核的碰撞形式有非弹性的正碰和切碰两种，并且碰撞是随机的。对于能量很高的粒子（速度远大于核环自旋速度），原子核往往表现出通透性，即粒子当时并未碰到核子环面上的核子，只是快速地通过了核子环空虚的中心。

原子核的结构无法从实验中直接看到，但可以从实验结果中反馈出来。以下核反应均为实验所得的结果（大多数反应为熔合蒸发反应，打出准粒子）。由于核反应在瞬间即能完成，可视为核子环的自旋暂时停止（定像），轰击粒子与核子环共面，这样就可以把核反应过程显示在平面上了。一些低能核反应的类型如下：

（一）α粒子所引起的核反应

⑴N+He→O+H，产生的新核是稳定的。正碰过程如下图（注意核子间的相对位置关系，核子间应以饱和成键为原则，使其行为遵守能量最低原理）：

图114N（α，P）17O

在氮-14核轴线上有两种核子——一个质子和一个中子。在此反应道上，α粒了是与其中的质子发生了正碰。氦核的中子首先与轴线处的质子成键，氦核的两个质子也立即与轴线处质子两侧的中子分别同时成键，而原氦核的另一个中子与它本身的两个质子并未解脱核键。这样使新核环16O的核子达到全饱和键态。迅速解脱核键的氘核（接受到α粒子传给的较大动能）与核子环对面轴线处的核子发生第二次碰撞，氘核的质子把轴线处的中子旁边的一个质子撞出核外，而取代了它的位置，并首先与轴线附近的那个中子（非轴线上的中子，高能级优先成键）成键而使质子达饱和（H型），这样就完成了核子环上相同核子的替换过程，我们把这一过程称为核子替换。原氘核的中子随后挤入核子断环，在核表面张力作用下，接合成新的核子环。从而形成了稳定的氧-17核。飞出核外的质子与轰击粒相比，已损失了绝大部分的动能。这个核反应现象可以从布拉凯特的充氮云室照片中看到，分析径迹情况可知，分叉的径迹即为质子的径迹。这已由上图中显示出来。类似此反应的又如B+He→C+H，若这类反应发生的是切碰，则会直接释放氘粒子，无二次碰撞反应，如He+C→N+H，产生的14N核是稳定的。

⑵B+He→N+n，在此反应道上，α粒子进攻的是10B核轴线上的中子（正碰），第二次碰撞发生核子替换打出一个中子。但新核13N不稳定，因为有两个质子直接相连成键，原氘核的质子有较大的远离核心的动能，在核的表面张力和斥力的直接作用下，易达到弱作用范围，会发生β+衰变或K俘获。新核衰变方程为N→C+e+γe或N+e→C+γe。产生的碳-13核是稳定的。整个过程如下图：

图210B（α，n）13N及13N的β+衰变或K俘获

⑶Be+He→C+n，在此反应道上，α粒子必须正碰铍-9核轴线上的中子，产生稳定的碳-12核，如图：

图39Be（α，n）12C

⑷Al+He→P+n，P→Si+e+γe或P+e→Si+γe。在此反应道上，α粒子必须正碰铝-27核轴线附近两个相连的中子之一。如图4

图427Al（α，n）30P及30P的β+衰变或K俘获

⑸Na+He→Mg+H,此反应与⑷并不矛盾，在此反应道上，α粒子正碰的是钠-23核环上的质子，产生的镁-26核（核环上三个中子不一定直接相连）是稳定的。如图5

图523Na（α，P）26Mg

⑹Li+He→B+γ,这是个α粒子的全融合反应。在此反应道上，第二次碰撞时，氘核的质子有能力把对面核子环上中子与中子形成的较弱核键击破并与其中的一个中子成键，而没有发生核子替换打出质子。断环接合成新的稳定的硼核，同时释放成键键能γ光子。如图6

图67Li（α，γ）11B

（二）中子所引起的核反应

⑴N+n→B+He，在此反应道上，入射中子把氮核环上的中子击入核内，同时与两个质子成键达饱和。进入核内的自由中子动能减小，已没有能力发生核子替换，而是挤压对面的核子环，使其变形，从而被两个质子（仍与另一个中子成键）捕获重新成键达饱和，这样就产生了一个系统能量很低的全饱和键态的α轻粒子飞出核外，余下的核子恰能接合成稳定的硼-11核。如图7

图714N（n，α）11B

⑵N+n→C+H，C→N+e+e。正碰过程如下图

图814N（n，P）14C及14C的β-的衰变

从上图可以看出，在此反应道上，入射中子碰撞的是氮核环上的质子，它代替了击入质子的位置，而自由质子与对面核环上的质子有较大斥力作用，使其有能力发生核子替换（也可能切碰发生反应，直接撞出质子，无二次碰撞），而决不能产生α粒子。这样，一个质子从新核中被蒸发出来。但是，由于轰击中子破坏了原来较强的饱和核键，而形成的是三个中子直接相连的较弱不饱和核键，并仍具有入射方向上的较大动能而不稳定，受到核表面张力的压迫而达到弱作用范围，易发生β-衰变，转变成的质子恰能与其两侧的中子重新形成稳固的饱和核键（符合能量最低原理，是原子核要求体系稳定的具体体现），从而产生了新的稳定的氮-14核。

⑶Al+n→Na+He,Na→Mg+e+e。正碰如下图

图927Al（n，α）24Na及24Na的β-衰变

这样，此过程中就有三种射线释放（α、β、γ射线）。若此反应是切碰发生的，则直接蒸发出两个中子，即Al+n→Al+2n。又如Be+n→Be+2n,Be→He+He,虽然8Be为全饱和键态的核环，但由于它的核环太小，核子在振动时就有可能碰到一起重新组合成键，恰能形成两个饱和的α轻粒子，这种裂变为8Be核所特有。

（三）质子所引起的核反应

⑴F+H→O+He，产生的新核是稳定的，正碰过程如下图：

图1019F（P，α）16O

⑵Ni+H→Co+He，产生的新核是稳定的，正碰过程如下图：

图1158Ni(P,a)55Co

⑶Si+H→P+n，在此反应道上，是切碰发生的（若正碰则打出α粒子），蒸发出的中子是硅-30核环上三个直接相连的中子中间的那个。产生的磷-30核环为全饱和键态，是稳定的。这种切碰也可能发生掇拾反应，如Li+H→Li+H等反应。

（四）氘核所引起的核反应

⑴Al+H→Mg+He,产生的新核是稳定的，正碰如下图：

图1227Al（d，α）25Mg

⑵C+H→B+He，产生的新核是稳定的，正碰如下图：

图1312C（d，α）10B

⑴与⑵也可能是切碰打出α粒子，可根据蒸发出的粒子方向来判断它们是如何碰撞反应的。

⑶Cl+H→Ar+2n,此反应是切碰的削裂反应，氘核的质子打出37Cl核环上三个直接相连的中子中间的那个，并与两侧的中子成键达饱和。氘核的中子解脱核键后沿原方向继续前进。产生的新核是稳定的。这样就有两个中子被蒸发出来。

⑷Mg+H→Al+n，此反应是切碰的削裂反应，氘核的质子被核环上直接相连的两个中子捕获成键达饱和，它的中子解脱核键后继续沿入射方向飞出。与此类的反应又如Be+H→Be+n,C+H→C+H。但有的削裂反应后的新核会发生β衰变，如C+H→N+n，N→C+e+γe；P+H→P+H，P→S+e+e。

（五）光致反应

高能γ光子也能破坏核键而击出各种粒子，如切碰击出中子的反应：

O+γ→O+n；Mg+γ→Mg+n产生的新核都是不稳定的，会发生β+衰变。如果蒸发出α粒子，则是光子正碰核环上的中子，此中子与对面核子不发生二次碰撞反应而产生的。光致反应还能切碰击出P、d、t等轻粒子，实质就是光子切割下核子环的一小片断产生的。

（六）中等离子间的高能反应

中等离子可被加速器加速而轰击核靶，会产生用轻粒子无法获得的不稳定同位素，如Ca+S→Kr+3n，在此反应道上，由于正碰截面小，轰击离子动能太大，核环上的一个中子把动能直接给同一直线上的靶核的两个对称中子，从而打出三个中子。正碰如下图：

图1440Ca（32S，3n）69Kr

由于新核环上有三处为质子与质子直接相连，会发生三次β+衰变，由于有两处在核的腰部，因转动动能较大，高能量的质子与质子在核表面张力作用下，不会立即达到弱作用范围内，会延缓衰变的现象。又如Si+Ni→Y+3H，正碰如下图，产生的新核是稳定的。

图1528Si（58Ni，3P）83Y

如果反应碰撞截面增大，并且为切撞则会打出两个质子与两个中子，如Ca+Ge→Sn+2H+2n，在此反应道上，因能量太高，碰撞后中子与质子之间的核键被破坏，蒸发出来的核子全部为激发态（不易成键），即单个的质子与单个的中子，而不是d、α粒子。产生的新核环为全饱和键态，是稳定的。切碰过程如下图：

图1640Ca（64Ge，2P2n）100Sn

（七）重核的衰变

如U→Th+He，由于铀-238的核子环不稳定，因高速转动而产生较大的形变，在核环一处变形为扁椭状，使不饱和核子间有机会重新组合成一个α粒子释放（在剩余核力的作用下），从而使核环向圆环状恢复，但新核环在接合时，恰有三个中子直接相连碰撞，在强大的核表面张力压迫下迅速达到弱作用范围内，使中间的那个中子发生β-衰变转变成质子，重新与两侧的中子成键达饱和。这也有利于新核环向圆环状恢复，新产生的镤-234核是较稳定的，衰变方程为Th→Pa+e+e，与此过程相似的又如重核钍-232发生的复杂衰变：Th→Pb+6He+4e+4e，不同的是其中有两次α衰变后，在接合时只有两个中子直接相连，不具备产生β-衰变的条件。

（八）结束语

以上论述是我对核反应过程的直觉认识，当这种认识为大家所验证，并得到认同时，它将成为一种新的理论留予后来者参研。