科学网

 找回密码
  注册
搜索
楼主: henryharry2

[建议] 原子核物理

[复制链接]
 楼主| 发表于 2015-8-13 13:37:46 | 显示全部楼层
一个中子的预期寿命是10分钟,假如在这一个10分钟内它没有衰变,它的预期寿命仍然是10分钟。这是我们的量子引力论的微观证据——我们非常幸运,总能在微观世界里找到量子引力的证据。在量子引力中,我们认为,大自然不停地在进行着一个复位过程使时间清零,也就是动态重正化——也就是说中子的预期寿命总是相同的。时间是所有试图将经典引力量子化的人遇到的绕不过去的障碍,这在我们的量子引力论中是通过动态重正化完成的。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-8-14 14:56:31 | 显示全部楼层
G宇称是一条新的选择定则,它是以同位旋和电荷共轭不变的有效性为基础的,此外并不需要其他什么假设。它的最简单的(但不是最普遍的)表达是,偶数个中性π介子不能转变为奇数个中性π介子,反过来也一样。以上论点十分重要。在电荷共轭变换C下,C是对同位旋空间中的13平面的一种反射。绕同位旋空间1轴旋转180°(操作R)。中性π介子的规则结合电荷守恒意味着,不管是什么电荷,偶数数目的π介子不能转变为奇数数目的π介子。
接着,L. Michel指出,能够用在C乘上R’(绕同位旋空间2轴的一个180°旋转)下的不变性表示这种变换,其作用是使所有电荷的π→-π。他把CR’用于具有确定自旋-宇称的初态的核子-反核子湮灭。李政道和杨振宁也这样做了,他们为CR’操作起了一个现在通用的名称:G宇称。今天,我们还可以从几何的观点重新得到G宇称,G宇称代表着双重几何与单重几何的对偶。双重几何代表着一般的电荷变换C,单重几何则需要将对径点等同起来,将双重几何变换到单重几何经过一个Wick转动,转换到虚时间轴后,和Feynman的吸收体理论等价。
双重几何与单重几何的对偶性产生的双重对偶变换可能具有普适性。例如可以简单地推导出铁磁体中的磁晶各向异性能和磁致伸缩的具有交换和晶体场项的Hamiltonian,Callen和Callen把这个Hamiltonian放在固体量子力学基础的地位。另外,太阳极区吹出的太阳风的风速高达800km/s,关于太阳风如何被加速的问题,理论家们给出的答案是五花八门、尚未有定论;假如太阳本身就是一个巨大的磁致伸缩体,那么太阳风被加速到800km/s就根本不是问题。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-9-15 11:50:22 | 显示全部楼层

马德隆规则

Eric Scerri在《为什么是门捷列夫》一书中说。时至今日,物理学仍没有对周期闭合作出理论解释。周期表中的核外电子排布服从n+ l规则:电子是随n+ l值的递增来占据轨道的;它又称为(Madelung)马德隆规则。马德隆规则还没有从量子力学的原理中导出,一流量子化学家Per-Olav Lōwdin把这次失败称为量子力学中的一个最突出的问题。其实,马德隆规则可以从极矢量与轴矢量的对偶性中导出,n当然是极矢量,l是轴矢量,极矢量和轴矢量的对偶性相当于双重几何与单重几何的对偶性。从双重几何与单重几何的对偶性可以导出G宇称。
可以从量子引力简单地推导出马德隆规则,引力 = 牛顿 +爱因斯坦,牛顿项与库仑力是同构的;角动量l是轴矢量,与爱因斯坦项是相对应的。换句话说,Runge-Lenz矢量可能在这里也充当了某种拓扑荷的作用。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-9-18 13:40:33 | 显示全部楼层

马德隆规则

我们的发现似乎具有基本的意义,量子力学的理论框架是由五条假设构成的(参见张哲华、刘莲君编著的《量子力学与原子物理学》)。这也就意味着量子力学除了这五条假设外,还应当加上一条量子潮汐效应假设,这条新假设不会对前面五条假设产生影响,只是修改了量子力学的统计解释,现在的解释不像标准的哥本哈根解释,倒是类似于约翰•克雷默的相互作用解释。
新假设显然获得了实验数据的支持。具有惰性气体般的电子构型的原子或离子通常可看成是具有球形对称性的。在某些考虑中,这种描述是够满意的;但在另一些时候,最好认为这些原子或离子具有非球形的形状——例如氦原子可以看成是变成扁长回转椭球,氖原子和其他惰性气体原子则变成具有立方对称性的形状。
假如氦和氖原子的结构可精确地从前面五条假设导出,则这些原子将有球形对称的电子分布。但是原子中两个电子的相互排斥将使它们彼此回避;因而这个原子的波函数相当于这两个电子在核的相反两边的几率要比在同一边大。这个效应常称为电子的相关性,它使氦原子获得26千卡/克分子的额外稳定性,在我们的解释中,则归为量子潮汐效应。在量子力学的传统解释中,说这些电子是因为有了一些p性(以及更小量的d性、f性等等)而获得这种相关性的,在我们的解释中,则是用指向矢代替p性的。
在无场的空间中氦原子的电子分布当然是球对称的。但这个原子在四极电场中有相当大的极化率,我们可把这样的极化看成是扁长椭球部分取向的结果。到底是传统量子力学的解释正确,还是我们的新解释正确?要由实验数据说话。
实验数据显然是站在我们这一边,因为用我们的新假设可以推导出马德隆规则,而仅用前面五条假设则不能。并且,我们的新解释也解决了量子力学的基础问题。“该死的量子跳变”的量子色动力学版本是真空的拓扑量子隧穿,但是实验数据否定了中子具有电偶极矩的假设,此即强CP问题。用我们的新假设则没有这个问题,在我们的解释中,拓扑是内禀的,无需真空的帮助,也无需中子有电偶极矩。
其实哈勃红移也可以看成是量子潮汐效应的结果,宇宙力图保持整体的球对称性,但是两个反方向飞行的光子会最大限度地破坏球对称性,光子永远以光速飞行,宇宙无法减慢光子的速度,只能减少光子的能量来恢复球对称性,哈勃红移是折中的结果。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-1 10:56:21 | 显示全部楼层

共轭对

在原子核这样一种多体系中使用BCS方法存在许多严重的缺点。有一些严重缺点无法克服。
(1)粒子数不守恒问题。
(2)假态问题。BCS方法的另一严重缺点是存在过多的假态。众多假态的出现,与粒子数不守恒密切相关。BCS方法计算所得的准粒子激发谱过于密集,其中有大量假态。
(3)堵塞效应(blocking effect)
(4)准粒子剩余相互作用。
在对力的粒子数守恒(PNC)中,BCS方法的所有缺点都将消失。
其实,按照量子力学的互动诠释;配对的核子=ψψ*(不妨称之为共轭对),一下子就能够解释所有的实验事实,无需想那么多。另外一个旁证是相互作用玻色子(IBM)模型中的玻色子也符合粒子数守恒解释。共轭对与库柏对不同,产生的是类似于铜氧化物高温超导体中赝能隙。
高温超导体中根本就不存在电子海,以前之所以不成功,不在于超导态的基本性质,而在于虚构的电子海,人们想当然地认为超导态是建立在电子海的基础上的,可实际上,高温超导的材料中根本就不存在电子海。
事实上,原初的BCS理论本身并不重要,它只是一种证明存在新序性质的方法。在BCS理论中,库柏对的质心坐标是处于不断地变动之中的,而对于共轭对来说,显然存在一个不变的质心坐标,从而使得共轭配对能够有效地降低基态的能量。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-5 09:42:03 | 显示全部楼层

相互作用玻色子模型

过去的唯象模型基本上是几何模型,这里介绍的IBM却是一种代数模型。几何模型给出唯象核势场的空间形态,核的形状以及它们在空间如何变化等等。代数模型给出相互作用的对称性质,指出在只存在六种玻色子的近似下,核子系统具有SU(6)群的动力学对称性,或者说在此近似下原子核的所有状态可以按照SU(6)来进行分类。
这个模型在解释偶偶核的低激发态性质上获得了广泛的成功,但在物理图像上与传统的核子遵从费米统计的性质相矛盾(如不遵从泡利原理)。但有不少基于壳模型的微观理论证明了这一玻色子图像的近似合理性,我国在这方面有不少出色的工作。
建议将s波玻色子称为牛顿玻色子,而将d波玻色子称为爱因斯坦玻色子。
有可能从量子力学的互动解释推导出IBM模型,互动解释给出的对称性类似于氢原子的SO(4)动力学对称性,发展到SU(6)群的动力学对称性是很自然的。另外,互动解释给出的核子以及s波和d波玻色子确实不遵守费米统计,它们不是费米子。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-8 08:03:39 | 显示全部楼层

对偶性

建议将s波玻色子称为牛顿子,而将d波玻色子称为爱因斯坦子。有可能从量子力学的互动解释推导出IBM模型,互动解释给出的对称性类似于氢原子的SO(4)动力学对称性,发展到SU(6)群的动力学对称性是很自然的。另外,互动解释给出的核子以及s波和d波玻色子确实不遵守费米统计,它们不是费米子。由量子力学的互动解释给出的动力学对称性是代数对称性,另一方面,量子力学互动解释与单重几何对偶,而双重几何与单重几何的对偶性又可以推导出几何模型(集体模型),因此,代数模型与几何模型实际上是对偶的;这有一点类似于笛卡尔坐标与解析几何的对偶性。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-11 07:44:07 | 显示全部楼层

互动解释

原子核无电偶极矩,引力也不会产生偶极辐射。原子核的电四极矩(Z/V)(3cos平方θ – 1)/2有面积的量刚。大多数原子核的形状是偏离于球形不大的轴对称椭球,因而具有电四极矩。原子核物理认为,原子核的内禀电四极矩,来源于核电荷的非球形分布,一般可用并矢或(3×3)二秩不可约张量表示。如果选择核自旋轴I(沿z轴)为核电四极矩主轴,由于核对自旋轴的旋转对称性,电四极矩仅有一个独立分量,称为标量电四极矩。原子核的电四极矩也是一种量子潮汐效应。
配对效应和单粒子轨道的各项异性所包含的形变趋势之间的竞争,打开了一条定性理解整个低能核激发谱图像的途径。这个竞争的结果决定于未满壳上的粒子数目。如果粒子数很少,在没有相互作用的情况下,形变较小,这时形成球形核子对的趋势就很容易占据主导地位;但是,随着粒子数的增加,球平衡形状就变得不那么稳定了,最终转变成一个变形的平衡形状。核能与形变参数β的关系。随着粒子数增加,球形(β=0)恢复力减小了。继续远离满壳,球形就会变得不稳定,原子核就获得了一个非球形平衡形状。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-11 07:45:16 | 显示全部楼层

新的物理

实际上,这个实验事实包含着新的物理,表明在原子核中,存在着量子力学的哥本哈根解释和量子力学的互动解释之间竞争的关系。一个更明显的例子是,在强子性质的研究中发挥了重要作用的Regge轨迹也具有前述转动谱的性质,但是,这用量子力学的哥本哈根诠释无法解释,而用量子力学的互动诠释就很容易解释。
量子色动力学(QCD)的三大支柱是渐进自由、夸克禁闭和手征对称性自发破缺。量子色动力学只解决了第一个问题,量子力学的互动诠释却可以解决剩下来的两个问题。
这里出现的集体转动自由度可以说是起源于转动不变性的一种破缺,这种破缺引入了能使我们确定系统的倾向性的“形变”。转动代表与这样一个自发对称破缺{Goldstone玻色子}相关的集体模式。如果变形使得转动对称性完全破缺,那么与三维空间的转动有关的所有自由度都将发生作用,这样就可唯一地确定倾向性。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-22 17:11:51 | 显示全部楼层

共振态

有趣的是,量子力学的互动诠释有助于破解一个长期困扰粒子物理学界的谜题。实验发现,强子的共振态像弦,也由此派生出弦理论,但弦理论家们并不知道弦是什么,量子力学的互动诠释也像弦。强子的弦张力为14吨,如此强大的拉力下的共振态一般都很短命,这明显是一对矛盾。将月亮和地球之间的弦缩小到强子内,就可以看出为什么,这是一个量子双态系统(关于双态系统Feynman在《量子物理学》讲义中有详细描述),如果采用一组基础态,双态系统处于共振态,如果采用另外一组基础态,双态系统则处于最小能量状态;可以看出,共振态与弦是对偶的概念。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-25 11:02:14 | 显示全部楼层

对称能

原子核的费米气体模型给出的<H>与实验结果符合的相当好。对称能,费米气体模型的计算值是13MeV,实验结果是28.1MeV,给出了实验值的不到一半。从费米气体的讨论可知:对称能是泡利不相容原理引起的。
实际上,从双重几何和单重几何的对偶性也可以推导出对称能。质子和中子具有镜像波函数,通过超选择定则相关联;在量子力学的互动诠释中,中子和质子互为反粒子。经过一个双重几何到单重几何的变换,就给出了配对能;再经过一个单重几何到双重几何的反变换,就给出了对称能。现在的原子核结构模型,只考虑了中子与中子、质子与质子之间的配对能,难道你不考虑中子和质子之间也有配对能吗?Danos和Gillet (1977)公式是SU(4)群的最低阶的Casimir算子的本征值,这个公式的特点是把对称能与对能合并起来考虑,因而参数少了一个。他们发现,计算所得结合能与实验观测值符合的程度比Weizsācker公式有改进。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-10-26 05:20:21 | 显示全部楼层

费米气体模型

实验证实,在原子核内,核子的平均自由程大于核子间的平均距离而与原子核半径差不多大。这意味着核子在核内的运动差不多是相互独立的,核子间的相互作用可近似地看作一常数的平均场。又因核内核子密度除表面层外几乎为一常数,在初级近似下可以忽略表面效应的作用。由此得到关于原子核的一种近似图像:在原子核所在区域Ω内存在一均匀场,核子在其中作相互独立的运动,这类似于气体的分子运动,又因核子为费米子需遵从泡利原子等性质,故称之为费米气体模型。
最简单的费米气体模型是设原子核为一方盒子,其体积Ω,其内为含有A个核子的费米气体。这在量子力学中正好是一个三维无穷深方位阱的问题。此时核子的波函数为ψ;函数χ和ξ分别表示该核子的自旋状态和同位旋状态。对一定自旋和同位旋的核子,动量(ħk)处在k到k+dk的八分之一球壳上(因k的三个分量皆大于0)的状态数为dN,总状态数当为dN从0到最大动量的积分N。
再考虑自旋有向上、向下两种和同位旋有两种(质子、中子),所以总状态应为4N个,按泡利原理,每个状态上只能填一个核子,所以对A个核子的原子核有A=4N。由实验知核子密度为ρ=0.17/F,相应的能量为38MeV。称最大动量为费米动量,最大能量为费米能量。这是被束缚在基态原子核中核子可能具有的最大动量和最大能量。并可算得核子的平均动能23MeV。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-11-15 10:52:17 | 显示全部楼层

超精细劈裂

电荷共轭C具有这样的性质,即只有中性态是C的本征值。利用同位旋可以定义一个推广的C,称为G共轭。它所具有的性质是,不仅中性态而且带电态也是G的本征态。G的本征值称为这种态的G宇称。不难证明,π介子处于G的本征态,并且本征值(G宇称)为 -1。若C是好量子数,则G也是好量子数,这在强相互作用中是对的。这意味着,奇数个π介子的G=-1,而偶数个π介子的G=1。C是平面反射。G宇称类似于空间反射的定义。
以前可以从双重几何与单重几何的对偶性推导出G宇称,现在我们从“薛定锷蛋”理论出发也可以推导出G宇称。并且,看来“薛定锷蛋”理论不仅对夸克、对于电子对也适用,我们知道,由“薛定锷蛋”理论可以推导出马梯亚斯的超导体的3、5、7经验规律,你可能会说,我们的理论未必是对的,但还有更好的解释吗?
考察介子的不同SU(3)的8重态发现,夸克-反夸克的组成味相同,基态轨道角动量相同,只是相对取向不同而质量不同。它们之间的质量差很容易和原子体系的自旋-轨道相互作用,或者是自旋之间的相互作用(精细和超精细劈裂)类比来加以说明。对于氢原子情况,这种超精细劈裂是很微小的(天文学中著名的21厘米谱线)。显然用电磁相互作用来说明不同强子由于自旋态不同引起的质量差别是不可能的。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-11-30 09:57:02 | 显示全部楼层

复合核

从玻尓的分析得出的一个原理性结论可以概括在复合核这个概念中:入射的共振能量辐射撞击靶核,形成一个系统,它能够存在足够长的时间,以至于对其形成的机制没有任何记忆。于是,这个复合核可以以最直截了当的方式与卢瑟福等研究过的放射性原子核的任何一种相比较。共振态可以被α粒子的入射打破;或者可以经过β衰变,放射出一个光子;或者发出一个中子或一个质子——这些截然不同的过程各有其每秒发生的几率,或曰放射性转变常数,这些过程不仅相互独立,而且不依赖于转变机制。Breit和Wigner独立地发展了这个思想,并且给出了数学上充分完整的共振理论——尽管只是对于特定的双粒子能量交换的物理机制。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-11-30 09:59:50 | 显示全部楼层

复合核

从玻尓的分析得出的一个原理性结论可以概括在复合核这个概念中:入射的共振能量辐射撞击靶核,形成一个系统,它能够存在足够长的时间,以至于对其形成的机制没有任何记忆。于是,这个复合核可以以最直截了当的方式与卢瑟福等研究过的放射性原子核的任何一种相比较。共振态可以被α粒子的入射打破;或者可以经过β衰变,放射出一个光子;或者发出一个中子或一个质子——这些截然不同的过程各有其每秒发生的几率,或曰放射性转变常数,这些过程不仅相互独立,而且不依赖于转变机制。Breit和Wigner独立地发展了这个思想,并且给出了数学上充分完整的共振理论——尽管只是对于特定的双粒子能量交换的物理机制。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-12-1 11:03:02 | 显示全部楼层

核与原子

从中可以得到非常多的结论。(1) 观测到的激发态的能级宽度小于到下一个能级的距离。那么,关于这个实验证据的另外两项重要的附加性质又如何?(2) 在一个给定的核中,一个慢中子共振与另一个非常类似,不论其发射伽马射线的几率,还是其重新发射一个中子的放射性转变常数。(3) 因而在相似的能级中,平均间距要小于我们根据核子近似独立移动穿过有效平均力场的情况作出的预期值达10的几次幂。在这种情况下,核的激发态与原子的激发态非常不同,在原子中,任何电子都可以被很好地近似看作是穿过一个有效的平均原子力场。因而在核与原子之间,必然存在着性质上的巨大差异。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-12-3 13:17:30 | 显示全部楼层

核力的饱和性

氘核是由一个中子和一个质子构成的稳定束缚态。原子核的束缚能与核子数成正比,这说明核力具有饱和性。原子核的体积与质量数成正比,反映了核力的短程性。氘核的束缚能的量值较小(-2.22MeV),氦核束缚能量值较大。类比分子结构中原子间作用力的饱和性以及“键”的概念,氘核有一个“键”,氦核有六个“键”,每个粒子的束缚能(E/A)分别是1.1和7(MeV),每个“键”的束缚能分别是2.2和4.7 (MeV)。束缚能的增加不能只归因于 “键”数的增加。如果核力的力程非常短,就可以得到解释,核力的力程仅为2飞米。如果把中子和质子间的核力用宽度为2飞米的势阱来表示,可求出氘核势阱的有效深度约为30MeV。而相距为2飞米的两个质子间的库仑作用能量仅约为0.7MeV。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-12-6 15:58:18 | 显示全部楼层

量子核子动力学

在量子核子动力学(QND)中,质子之间存在着长程的Coulomb斥力,核子之间存在着短程的核力。与电子系统不同,核子之间的核力是十分复杂的,目前还没有精确的表达式。核力不清楚是原子核多体问题的基本困难之一。为了解决这一困难,有两种做法:(1)根据自由空间(真空)中核子-核子散射的数据,构造出自由空间的唯象理论,然后运用多体理论(如Brueckner理论)考虑核介质对核子-核子相互作用的修正。
(2)基于核子-核子相互作用的一般性质和多体理论的一般结论,假定密度有关的等效的核子-核子相互作用,其中包括若干参数,用大量的原子核基态性质去确定这组参数。这类核力中最著名的称为Skyrme力。Skyrme力包括长程Yukawa势和Coulomb相互作用,第二项是三体极短程力。基于Skyrme力的HF计算很成功,可以再现大部分原子核的基态性质。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-12-9 10:48:43 | 显示全部楼层

光学模型

光学模型:在核反应中,入射粒子同靶核的作用可以看成入射粒子在以靶核中心为原点,有一定半径和深度的平均场势阱中运动。当用复数形式的核势(实部描述散射,虚部描述吸收)处理该平均场作用时,由薛定谔方程求解可成功地解释核反应的散射和吸收现象。这种描述核反应的复数势阱模型,称作光学模型。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2015-12-13 05:40:47 | 显示全部楼层

碳12的秘密

身为碳基生命的我们对碳元素到底有多少了解?本文也许可以给你一个答案。众所周知,如果碳12核的能级不是60年前Fred Hoyle预言的特定值,生命将不会存在。然而,David Jenkins和Oliver Kirsebom坦言,这一能级的本质还仍是核物理学中最大的几个未解之谜之一。
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2017-11-24 02:35

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007-2017 中国科学报社

快速回复 返回顶部 返回列表