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楼主: henryharry2

[建议] 原子核物理

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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:12:56 | 显示全部楼层

碳12的秘密

碳12这一瞬时存在的“Hoyle态”,会通过发射γ射线蜕化[跃迁]回稳定的基态。它相当于一个“共振器”,可以将碳12的产量提升七个数量级。然而,要使事与愿和,Hoyle态需要具备特定的性质,其一便是具有一个特定的激发能。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:16:27 | 显示全部楼层

碳12的秘密

要理解这一点,我们要知道某些原子核具有比其它原子核更大的结合能。尤其是,碳12的结合能比一个α粒子加上一个铍8核还多7.28兆电子伏。所以,在将两个静止的α粒子和铍8核聚合成碳12核时,因为能量必须守恒,还会释放出正好7.28兆电子伏的激发能。而在恒星内部,原子核并不静止,而是具有一些热能,它们会被带入到聚变中,这样就会产生稍高一些的激发能。Hoyle计算出这种瞬态的激发能应当是7.68兆电子伏(误差在上下百分之几之内)。Hoyle态还需要核自旋为零以及正宇称。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:20:58 | 显示全部楼层

碳12的秘密

Hoyle对他加州理工学院凯洛格辐射实验室(Kellogg Radiation Laboratory)的实验伙伴Ward Whaling软磨硬泡,要他与他的团队寻找这个态,方法是用氘核(包含一个质子和一个中子)轰击氮14靶核。随后他们利用磁谱仪测量α粒子的能谱,进而根据能量守恒得到碳12的能谱。结果显示,有一个态正好处于Hoyle推测的激发能上。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:24:38 | 显示全部楼层

碳12的秘密

那么,碳产生的疑难就这样解决了吗?从某种程度上说,是这样的:科学家们现在能通过Hoyle态合理地解释碳核的合成可以足够快,以避免因铍8核的短命而导致我们周围观测到的碳元素丰度不足。不过,一个随即出现的新问题尽管过了60年还是没能得以解决。问题很简单,那就是Hoyle态不能通过任何已知的原子核模型加以描述。尽管人们在这个问题上不乏努力,但鉴于碳对生命的形成的重要性,这一状况还是很难令人满意。实际上,尝试了解Hoyle态的全部本质仍是核物理学最集中的理论及实验工作之一。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:30:12 | 显示全部楼层

碳12的秘密

那么,我们对原子核的图景都有哪些?我们对原子核的理解建立在 “壳层模型”上,它是1949年发展起来的,比Hoyle态的发现早四年。这个模型是我们理解原子核结构的一大成就,它指出,质子和中子像独立的粒子那样填充起一个个壳层,与原子中电子的行为相当。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:32:56 | 显示全部楼层

碳12的秘密

而核态就简单地根据不同壳层上质子和中子的排布构成。这个模型在描述基态和激发态上相当成功,对轻核则尤为如此。它同样也能够很好地描述碳12大部分的低激发态。然而,壳层模型对Hoyle态却完全无效。简单地说,用这个模型计算的能级没有一个能够逼近Hoyle态的能级。而且,其它轻核也有类似的态,使壳层模型在其上完败。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:36:26 | 显示全部楼层

碳12的秘密

那么,如果将核看成α粒子簇而非一团独立的核子,是否能够更好地描述Hoyle态呢?实际上,在1956年,也就是预言及发现Hoyle态仅三年之后,当时在印第安纳普渡大学的森永晴彦(Haruhiko Morinaga)[不确定汉字是不是这个]猜想,Hoyle态可以想成是三个α粒子的线性链。他认为,由四个、五个和六个α粒子组成的相似态也同样会存在于氧16、氖20和镁24中。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:42:20 | 显示全部楼层

碳12的秘密

从一开始就可以明显看出,森永提出的这一静态线性链结构是一个粗糙的、过于简化的模型。α粒子应该处于连续运动中,这样才不会违背海森堡的不确定性原理:因为它们都被限制在一个很小的距离里(一个原子核的直径不会超过几飞米[1飞米=10的-15次方米]),所以它们的动量、因而有它们的速率,必须超过某个特定值。α粒子甚至还会相互交换核子。换句话说,森永的α粒子簇模型仅仅表示一个动力学体系的时间平均图景。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:49:23 | 显示全部楼层

碳12的秘密

我们目前“最好的解释”是:Hoyle态是一个α粒子间相互作用微弱、而类似气体的体系,α粒子在从核尺度上看很大的距离内几乎自由地运动着。再者,在过去的十年内,Hoyle态可能作为一个叠加态而存在这一点变得越发明显:就像薛定谔的猫处于50%的几率死亡和50%的几率活着的状态一样,Hoyle态大概有70%的几率是三α粒子态,30%的几率是壳层模型的态(其中核子各个填充了量子化的能级)。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 06:54:08 | 显示全部楼层

碳12的秘密


图1:一个碳核的内部位形
[图中文字分别为:a.线性链;b.玻色-爱因斯坦凝聚体;c.紧致三角;d.折线型排列]

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 楼主| 发表于 2015-12-13 14:09:52 | 显示全部楼层

碳12的秘密

也许从“薛定锷蛋”理论来看,碳12的秘密没有那么复杂。对“薛定锷蛋”来说,三α粒子态是一个能量较低的态,因为“薛定锷蛋”的自旋有三个方向。另一方面,“薛定锷蛋”理论与量子色动力学的三种颜色相容性较好,三种颜色可以映射成三个方向。原子核唯象模型中的Skyrme力包含极短程的三体力,和“薛定锷蛋”有对应关系。另外,“薛定锷蛋”理论还可以解决量子色动力学中轴矢量的U(1)问题。
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 楼主| 发表于 2015-12-16 14:18:08 | 显示全部楼层

玻色-爱因斯坦凝聚体

其它理论中唯一的强力竞争者是α粒子簇模型的一个变体,其中Hoyle态是一种玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate, BEC)。这一想法的出现是因为α粒子具有零自旋,这意味着它们是玻色子,服从玻色统计。一个具有较低内部温度的α粒子体系可能形成一个BEC,这和现在通常在实验室中制造和控制的原子凝聚体类似。
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 楼主| 发表于 2015-12-20 08:37:19 | 显示全部楼层

0.007

数ε(0.007),它表明在恒星内部发生的核聚变过程中转化成能量的的质量比例,即只有0.7%的参与核聚变反应的质量转化成了能量。ε的大小决定了原子核内聚的坚固程度和所有原子的生成。如果ε是0.006,氢原子核的粘合力就很小,就无法形成稳定的氦核,这样的宇宙中氢元素一统天下,无法形成足够含量的碳和氧,其他重元素则更罕见;如果ε是0.008,质子之间的粘合力太强,无法存在氢元素,没有氢,水也就不存在了。因此,无论ε偏大或偏小,这样的宇宙中都不会有我们人类。
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 楼主| 发表于 2015-12-25 05:07:39 | 显示全部楼层

超重元素岛

1956年以来,核物理学曾预言存在有一个稳定的超重元素岛。岛中心的原子核是中子数和质子数填满闭壳的双幻核(Z=114,N=184)。这个核非常稳定,其自发裂变的寿命估计可达1千亿亿年。在其附近的原子核对于自发裂变、β衰变也比较稳定。除了这个超重核的稳定岛外,核物理学还预言存在另一些更重超重核的稳定区。理论预言,对于这些更重的超重核,由于库仑势能加大,发射α粒子的能量、裂变平均动能以 及每次裂变释放的中子数都将比常规核情况大得多。
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 楼主| 发表于 2015-12-25 05:14:18 | 显示全部楼层

元素合成理论与天体核反应研究

证实这些预言存在与否都将是对原子核理论的检验。目前,物理学家正试图通过对γ过程的研究解开这个谜。由于γ过程产生远离β稳定线中子大量过剩的核,在实验室条件下,难以测量其反应截面,因此常利用地下核爆炸进行γ过程研究。到目前为止,在规模巨大的天体核反应研究方面,虽然在确定核反应截面的工作上取得一些成果,从而丰富了人们对于天体核反应规律的认识,但这种认识毕竟是很初步的,因为对于恒星晚期进行的核反应,至今还不能在实验室条件下研究,对于它们的抛射物化学成分还需要做进一步的了解和解释。
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 楼主| 发表于 2015-12-27 05:42:47 | 显示全部楼层

内转换现象

内转换现象:原子核从激发态跃迁到较低的能态或基态时,除发射γ光子外,还可以通过发射电子的方式来完成,即原子核将多余的能量传给壳层(K层或L层)电子,使电子脱离原来轨道,形成单能的内转换电子,这种现象简称为内转换。内转换过程使核素的一个电子壳层中留下了一个空位,该空位被外壳层电子填充时,会产生特征X射线,甚至可导致发射俄歇电子。
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 楼主| 发表于 2015-12-31 04:02:04 | 显示全部楼层

中子星的研究

在对中子星的研究中,人们普遍关心的是它的稳定性机制、内部结构以及应给予它什么样的模型。一种看法认为,中子星就是一个巨大的原子核。人们最常接触到的原子的原子核,无论是天然的还是人工的,稳定的还是放射性的,长寿命还是短寿命的,都具有一些共同的特点。其一是,随着质子数的加多,库仑斥力增大而趋于不稳定,所以,随着质量数的加大,稳定的核将中子比例加大,质子的比例变小。
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 楼主| 发表于 2016-1-11 04:55:54 | 显示全部楼层

巨多极共振

巨多极共振指原子核中一种高度集体性的激发模式,简称巨共振。即在原子核中有相当可观的一部分核子参与整体运动所形成的振动型激发模式。
另外,巨共振的激发能量随原子核质量的改变而平滑地变化,并无显著的壳层起伏的现象,但其宽度仍表现出一定的壳层效应。
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 楼主| 发表于 2016-1-13 05:49:31 | 显示全部楼层

中子简并态

超新星爆发,恒星的核心坍缩成中子星后,电子简并态不复存在,由中子简并态取而代之。中子星巨大的表面重力使核心部位的电子和质子相互融合形成中子。一般游离中子(即不被原子核束缚的中子)的半衰期为10.3分钟,而中子星的密度达到原子核密度,此时中子能够稳定存在于在原子核外,于是中子星的核心位置形成了中子简并态。
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 楼主| 发表于 2016-1-16 04:40:03 | 显示全部楼层

原子核物理

[color=rgba(0, 0, 0, 0.701961)]用量子力学解释原子的行为取得巨大胜利之后,物理学家们很自然地将他们的注意力转移到了核物理。尽管已取得了许多实际的成功(包括在三哩岛上的反应堆和氢弹),但是我们对原子核行为的理解,还没有像原子的行为那样清楚。原子核的半径比原子小100,000倍,而体积正比于半径的立方,所以原子比原子核大一千万亿倍。像核的质量和电荷之类的量能够进行测量,这些测量导致了同位素的概念。同位素之间具有相同数目的质子,因而具有相同数目的电子(以及相同的化学性质),但中子数不同,所以质量不同。
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