在費密的啟發下,邁耶在平均場中引入強的自旋-軌道耦合力,利用該力引起的能級分裂成功地解釋了全部幻數的存在。接著,詹森(Johannes Hans Daniel Jensen,1907~1973)也獨立地得到了相同的結果。在邁耶與詹森合著的《原子核殼層基本原理》一書中,他們利用核殼層模型成功地解釋了原子核的幻數、自旋、宇稱、磁矩、β衰變和同質異能素島等實驗事實。由於原子核殼層結構模型所獲得的成功,及其在核物理研究中的重要作用,邁耶和詹森共同獲得1963年諾貝爾物理學獎。
1968年,費什巴赫(Feshbach)與他的學生拉什羅(F. lachllo)在研究雙滿殼輕核時,把粒子-空穴看成為一個玻色子,提出了相互作用玻色子概念。1974年,拉什羅把這一概念用於研究中、重偶偶核,他與阿里默(A. Arima)合作,提出了互作用玻色子模型。這一模型認為,偶偶核包括雙滿殼的核實部分與雙滿殼外的偶數個價核子部分。若先把核實的自由度“凍結”,把價核子配成角動量為0或2的核子對,即可把費密子對處理為玻色子,用玻色子間的相互作用描述偶偶核,可以使問題大大簡化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發態上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更為成功之處是,它預言了原子核在超空間中的對稱性。它指出核轉動、核振動等集體運動行為是核動力學對稱性的反映。由於對核動力學對稱性的揭示,這一模型雖然比較抽象,卻更為深刻也更為本質。在過去,提到對稱性,往往被認為是粒子物理學的研究課題。其實,核物理也是對稱性極為豐富的研究領域。最早注意到核對稱性的是匈牙利裔美國物理學家、狄喇克的妻兄維格納(Eugene Paul Wigner,1902~)。維格納畢業於柏林大學化學系,1925年獲得博士學位,1930年與諾伊曼(JohnvonNeumann,1903~1957)一起被邀請到美國,擔任普林斯頓大學數學物理教授。1936年,兩人共同創立中子吸收理論,為核能事業做出重大貢獻。1937年,維格納基於核的自旋、同位旋,引入超多重結構,建立了宇稱守恆定律。由於對原子核基本粒子理論的貢獻,特別是對對稱性基本原理的貢獻,維格納獲得了1963年諾貝爾物理學獎。繼維格納,對原子核動力學對稱性進行更深入研究的是埃里奧特。1958年,埃里奧特研究了諧振子場的對稱性,建立了玻色子相互作用的SU(3)動力學對稱性理論,這一理論與質量數A在16~24的核理論有很好的符合,但對於A較大的核,由於自旋-軌道耦合,使這種對稱性遭到破壞,而偏離很大。在1974年拉什羅和阿里默提出的互作用玻色子模型中,將角動量為0的玻色子稱為s玻色子,角動量為2的玻色子稱為d玻色子,s、d玻色子展開一個6維超空間,系統狀態的任何一種變化,都可以通過6維空間的么正變換實現,這種么正變換構成U(6)群。原子核的角動量守恆即與空間轉動不變性相聯繫,即s、d系統具有U(6)的對稱性。他們還發現,s、d玻色子系統存在三個群鏈,
EMC效應的發現引起了世界性的轟動,這不是偶然的。它像科學史上許多其它重要發現一樣,不是“先驗的理論”,而是實驗事實強迫人們去接受一種新的觀念,這就是原子核核心子的亞結構與一般自由核子的亞結構有明顯的不同。這裡值得提起一個反面的例子,如果人們不是被一些“先驗的理論”所束縛,本該更提早十幾年發現EMC效應。在70年代初,在斯坦福直線加速器實驗室(SLAC)就有一個用高能電子測量核子結構函式的研究組。他們以液氫與液氘為靶,得到了核中質子和中子的結構函式。因為用來盛液氫、液氘的容器是鋼和鋁的,為消除本底的影響,他們又進行了容器的空靶測量,這樣就掌握了鋼和鋁靶的結構函式,卻不曾想到與自由核子的結果相比較。EMC效應的結果發表以後,他們把十幾年前依然保存完好的數據重新計算分析,他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學’的研究”。其結果確實充滿戲劇性,兩次研究一前一後時隔十幾年,對不同的探測粒子、不同能區做了測量,竟然得出完全一致的結果。這一事實不僅再一次令人信服地證實了EMC效應的存在,還使人們冷靜地看到,SLAC小組先於十幾年得到實驗的全部數據,卻未能成為EMC效應的發現人,這不能不說明,對於那些已被廣泛接受卻未經實驗事實證實的“先驗理論”,確有必要重新檢驗。1988年,EMC組又在極小的布約肯區(0.003≤x≤0.2)對不同的核(C、Ca、Cu、Fe、Sn)進行了測量。結果發現,在0≤x<0.1時,結構函式比值小於1,有明顯的遮蔽現象;而在0.1≤x≤0.2時,結構函式比值大於或等於1,有較弱的反遮蔽現象,而且遮蔽現象隨不同的核而不同。伯格(E. L. Berger)等人對這一現象做出了解釋。他們先從傳統的核子-介子模型出發,同時考慮了核子的費密運動修正,認為遮蔽現象來源於核子造成的“影子”,即入射粒子“看不到”處於“影子”中的核子。根據這一解釋,遮蔽現象本應該隨著入射高能輕子轉移給靶核動量的增大而迅速地減小,以至消失,然而實驗現象卻與這種估計相反。這表明,EMC效應使傳統的核子-介子模型出現了困難,原子核並非簡單的核子的集合,即使引入了核子運動的費密修正,核內的夸克分布也與自由核子不同,這就迫使人們不得不考慮夸克自由度的問題。
根據量子色動力學,夸克的相互作用性質與核力、電磁力及引力性質完全相反。在強子內,夸克間距離很小時,它們幾乎相互沒有作用,行為像無相互作用的自由粒子,然而隨著夸克間距離的加大,禁閉勢壘急劇增高,夸克像是被禁閉在強子的內部。EMC效應的發現使人們想到,禁閉在核“環境”中核子內的夸克自由度可能比自由核子內的夸克自由度大,在核“環境”中,核子內的夸克將有可能以某種幾率跑到核子之外,甚至從一個束縛核子中“滲透”出來,再進入另一個束縛核子之中,兩個相互靠得較近的核子會以一定的幾率彼此“融合”,使核子自身膨脹起來,核子會因這種膨脹而變“胖”,隨之有效質量減小。核核心物質密度越大,核子重疊機會越多,夸克禁閉長度增加就越大,這一效應就越明顯。對EMC效應的這一解釋先後由卡爾森(E. E. Carlson)及克洛斯(F. E. Close)等人給出,他們的解釋與1988年EMC協作組的實驗結果取得了大部分的一致。
所發現的另一種核物質的新形態是包含其它強子的核多體系統,又稱奇異核,例如Λ超核、Ζ超核以及反質子核等。只有Λ超核為實驗所肯定,已開展了一些Λ超核譜學及生成Λ超核機制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發現的。1952年,波蘭物理學家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中,發現一個特殊的事例。這是一個高能質子擊碎了核乳膠中的銀原子,產生的一個碎片,再通過發射帶電π介子和一個質子衰變,碎片衰變的特徵與理論上預料的Λ超子完全相同,因而認定這個碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子,根據強相互作用要求,它的奇異數與重子數守恆,因而Λ超子在核物質中相對強相互作用是穩定的,只能產生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命,因而在實驗中可以比較容易地觀察到Λ超核。已經在實驗中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個Λ超子的雙超核,甚至包含若干個Λ超子的∑超核。超核的發現,不僅打破了過去原子核只是由中子、質子組成的傳統看法,而且通過超核的研究,還進一步獲得了有關核結構與強相互作用的認識。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的一個重要分支領域。奇異核伴隨有奇異的現象。首先,與普通核相比,奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有:α衰變、β衰變(包括電子俘獲過程)、γ衰變(包括內變換過程)和自發裂變等,奇異核則除了上述方式外,還有一些奇異的衰變方式。例如,奇異核β衰變可釋放很高的能量,經β衰變後的末態核仍處於較高的激發態,若這一激發態的能量高於其中的核子或核子集團的結合能時,這個末態核仍有可能把多餘的能量釋放出來,退激發而變為一種新的核,稱為子核。這種奇異衰變分為兩個階段,同時有三代核素參與,然而由於第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多,在實驗觀測時,僅觀察到第一階段的β半衰期,故常把這種放射性稱為β延遲粒子發射,或緩發粒子發射。其實,早在1916年盧瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)和伍德(Robert Williams Wood,1868~1955)在研究212Bi引起的螢光現象時,就曾發現大量具有一定能量的α粒子中,混有少量具有較高能量的長射程α粒子,這實際上就是β衰變緩發α粒子。雖然他們觀察到這個現象,卻不明白其成因。直到1930年,伽莫夫(GeorgeGamow,1904~1968)也觀測到了這個奇特的現象,才對它做出了解釋。伽莫夫認為Bi先經過β衰變到Po,如果Po處於激發態,它再放出帶有該激發態能量的α粒子,這部分激發態能量轉化為α粒子的動能,因而具有較高的能量。如果處於激發態的Po先經過γ發射回到基態,就會發射低能量的α粒子。Bi就是緩發α粒子的先驅核,而末態核發射α粒子後變為Po,就是緩發α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測到的β緩發衰變僅只是一種天然放射現象。
在費密的啟發下,邁耶在平均場中引入強的自旋-軌道耦合力,利用該力引起的能級分裂成功地解釋了全部幻數的存在。接著,詹森(Johannes Hans Daniel Jensen,1907~1973)也獨立地得到了相同的結果。在邁耶與詹森合著的《原子核殼層基本原理》一書中,他們利用核殼層模型成功地解釋了原子核的幻數、自旋、宇稱、磁矩、β衰變和同質異能素島等實驗事實。由於原子核殼層結構模型所獲得的成功,及其在核物理研究中的重要作用,邁耶和詹森共同獲得1963年諾貝爾物理學獎。
1968年,費什巴赫(Feshbach)與他的學生拉什羅(F. lachllo)在研究雙滿殼輕核時,把粒子-空穴看成為一個玻色子,提出了相互作用玻色子概念。1974年,拉什羅把這一概念用於研究中、重偶偶核,他與阿里默(A. Arima)合作,提出了互作用玻色子模型。這一模型認為,偶偶核包括雙滿殼的核實部分與雙滿殼外的偶數個價核子部分。若先把核實的自由度“凍結”,把價核子配成角動量為0或2的核子對,即可把費密子對處理為玻色子,用玻色子間的相互作用描述偶偶核,可以使問題大大簡化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發態上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更為成功之處是,它預言了原子核在超空間中的對稱性。它指出核轉動、核振動等集體運動行為是核動力學對稱性的反映。由於對核動力學對稱性的揭示,這一模型雖然比較抽象,卻更為深刻也更為本質。在過去,提到對稱性,往往被認為是粒子物理學的研究課題。其實,核物理也是對稱性極為豐富的研究領域。最早注意到核對稱性的是匈牙利裔美國物理學家、狄喇克的妻兄維格納(Eugene Paul Wigner,1902~)。維格納畢業於柏林大學化學系,1925年獲得博士學位,1930年與諾伊曼(JohnvonNeumann,1903~1957)一起被邀請到美國,擔任普林斯頓大學數學物理教授。1936年,兩人共同創立中子吸收理論,為核能事業做出重大貢獻。1937年,維格納基於核的自旋、同位旋,引入超多重結構,建立了宇稱守恆定律。由於對原子核基本粒子理論的貢獻,特別是對對稱性基本原理的貢獻,維格納獲得了1963年諾貝爾物理學獎。繼維格納,對原子核動力學對稱性進行更深入研究的是埃里奧特。1958年,埃里奧特研究了諧振子場的對稱性,建立了玻色子相互作用的SU(3)動力學對稱性理論,這一理論與質量數A在16~24的核理論有很好的符合,但對於A較大的核,由於自旋-軌道耦合,使這種對稱性遭到破壞,而偏離很大。在1974年拉什羅和阿里默提出的互作用玻色子模型中,將角動量為0的玻色子稱為s玻色子,角動量為2的玻色子稱為d玻色子,s、d玻色子展開一個6維超空間,系統狀態的任何一種變化,都可以通過6維空間的么正變換實現,這種么正變換構成U(6)群。原子核的角動量守恆即與空間轉動不變性相聯繫,即s、d系統具有U(6)的對稱性。他們還發現,s、d玻色子系統存在三個群鏈,
EMC效應的發現引起了世界性的轟動,這不是偶然的。它像科學史上許多其它重要發現一樣,不是“先驗的理論”,而是實驗事實強迫人們去接受一種新的觀念,這就是原子核核心子的亞結構與一般自由核子的亞結構有明顯的不同。這裡值得提起一個反面的例子,如果人們不是被一些“先驗的理論”所束縛,本該更提早十幾年發現EMC效應。在70年代初,在斯坦福直線加速器實驗室(SLAC)就有一個用高能電子測量核子結構函式的研究組。他們以液氫與液氘為靶,得到了核中質子和中子的結構函式。因為用來盛液氫、液氘的容器是鋼和鋁的,為消除本底的影響,他們又進行了容器的空靶測量,這樣就掌握了鋼和鋁靶的結構函式,卻不曾想到與自由核子的結果相比較。EMC效應的結果發表以後,他們把十幾年前依然保存完好的數據重新計算分析,他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學’的研究”。其結果確實充滿戲劇性,兩次研究一前一後時隔十幾年,對不同的探測粒子、不同能區做了測量,竟然得出完全一致的結果。這一事實不僅再一次令人信服地證實了EMC效應的存在,還使人們冷靜地看到,SLAC小組先於十幾年得到實驗的全部數據,卻未能成為EMC效應的發現人,這不能不說明,對於那些已被廣泛接受卻未經實驗事實證實的“先驗理論”,確有必要重新檢驗。1988年,EMC組又在極小的布約肯區(0.003≤x≤0.2)對不同的核(C、Ca、Cu、Fe、Sn)進行了測量。結果發現,在0≤x<0.1時,結構函式比值小於1,有明顯的遮蔽現象;而在0.1≤x≤0.2時,結構函式比值大於或等於1,有較弱的反遮蔽現象,而且遮蔽現象隨不同的核而不同。伯格(E. L. Berger)等人對這一現象做出了解釋。他們先從傳統的核子-介子模型出發,同時考慮了核子的費密運動修正,認為遮蔽現象來源於核子造成的“影子”,即入射粒子“看不到”處於“影子”中的核子。根據這一解釋,遮蔽現象本應該隨著入射高能輕子轉移給靶核動量的增大而迅速地減小,以至消失,然而實驗現象卻與這種估計相反。這表明,EMC效應使傳統的核子-介子模型出現了困難,原子核並非簡單的核子的集合,即使引入了核子運動的費密修正,核內的夸克分布也與自由核子不同,這就迫使人們不得不考慮夸克自由度的問題。
根據量子色動力學,夸克的相互作用性質與核力、電磁力及引力性質完全相反。在強子內,夸克間距離很小時,它們幾乎相互沒有作用,行為像無相互作用的自由粒子,然而隨著夸克間距離的加大,禁閉勢壘急劇增高,夸克像是被禁閉在強子的內部。EMC效應的發現使人們想到,禁閉在核“環境”中核子內的夸克自由度可能比自由核子內的夸克自由度大,在核“環境”中,核子內的夸克將有可能以某種幾率跑到核子之外,甚至從一個束縛核子中“滲透”出來,再進入另一個束縛核子之中,兩個相互靠得較近的核子會以一定的幾率彼此“融合”,使核子自身膨脹起來,核子會因這種膨脹而變“胖”,隨之有效質量減小。核核心物質密度越大,核子重疊機會越多,夸克禁閉長度增加就越大,這一效應就越明顯。對EMC效應的這一解釋先後由卡爾森(E. E. Carlson)及克洛斯(F. E. Close)等人給出,他們的解釋與1988年EMC協作組的實驗結果取得了大部分的一致。
所發現的另一種核物質的新形態是包含其它強子的核多體系統,又稱奇異核,例如Λ超核、Ζ超核以及反質子核等。只有Λ超核為實驗所肯定,已開展了一些Λ超核譜學及生成Λ超核機制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發現的。1952年,波蘭物理學家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中,發現一個特殊的事例。這是一個高能質子擊碎了核乳膠中的銀原子,產生的一個碎片,再通過發射帶電π介子和一個質子衰變,碎片衰變的特徵與理論上預料的Λ超子完全相同,因而認定這個碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子,根據強相互作用要求,它的奇異數與重子數守恆,因而Λ超子在核物質中相對強相互作用是穩定的,只能產生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命,因而在實驗中可以比較容易地觀察到Λ超核。已經在實驗中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個Λ超子的雙超核,甚至包含若干個Λ超子的∑超核。超核的發現,不僅打破了過去原子核只是由中子、質子組成的傳統看法,而且通過超核的研究,還進一步獲得了有關核結構與強相互作用的認識。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的一個重要分支領域。奇異核伴隨有奇異的現象。首先,與普通核相比,奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有:α衰變、β衰變(包括電子俘獲過程)、γ衰變(包括內變換過程)和自發裂變等,奇異核則除了上述方式外,還有一些奇異的衰變方式。例如,奇異核β衰變可釋放很高的能量,經β衰變後的末態核仍處於較高的激發態,若這一激發態的能量高於其中的核子或核子集團的結合能時,這個末態核仍有可能把多餘的能量釋放出來,退激發而變為一種新的核,稱為子核。這種奇異衰變分為兩個階段,同時有三代核素參與,然而由於第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多,在實驗觀測時,僅觀察到第一階段的β半衰期,故常把這種放射性稱為β延遲粒子發射,或緩發粒子發射。其實,早在1916年盧瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)和伍德(Robert Williams Wood,1868~1955)在研究212Bi引起的螢光現象時,就曾發現大量具有一定能量的α粒子中,混有少量具有較高能量的長射程α粒子,這實際上就是β衰變緩發α粒子。雖然他們觀察到這個現象,卻不明白其成因。直到1930年,伽莫夫(GeorgeGamow,1904~1968)也觀測到了這個奇特的現象,才對它做出了解釋。伽莫夫認為Bi先經過β衰變到Po,如果Po處於激發態,它再放出帶有該激發態能量的α粒子,這部分激發態能量轉化為α粒子的動能,因而具有較高的能量。如果處於激發態的Po先經過γ發射回到基態,就會發射低能量的α粒子。Bi就是緩發α粒子的先驅核,而末態核發射α粒子後變為Po,就是緩發α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測到的β緩發衰變僅只是一種天然放射現象。