基本介紹
- 中文名：核物質
- 外文名：nuclear matter
- 功能：研究原子核的大塊性質及檢驗核力
- 自由度：同位旋和自旋
- 特點：平移不變性，各向同性
- 計算方法：空穴線展開方法等
物質密度,費密氣體模型,中心問題,計算方法,新發展,新形態探索,重離子核物理,夸克-膠子,
物質密度
無限大的核物質是各向同性的，並具有平移不變性，它避開了表面效應，因此大大簡化了理論計算。在核物質體系中套用理論上提出的核子相互作用是檢驗核力的重要手段。在核物質近似下，用一種合適的核子相互作用進行計算，應該能正確地給出與實驗測出的重核內中心區域密度相同的核物質密度，以及原子核結合能半經驗質量公式（見液滴模型）中的體積能項。這個常數密度約為0.17核子每立方費密（1費密=10-15米）,而體積能約為16兆電子伏每核子。
費密氣體模型
是核物質的零級近似。很多證據證實，在原子核中，核子的平均自由程大於核子間的距離，這意味著核物質核心子在零級近似下是在一平滑變化的勢場內運動。這樣就可以寫出由反對稱化的單粒子波函式乘積表示的總波函式，其中單粒子波函式是平面波波函式與自旋、同位旋波函式的乘積。這就是費密氣體模型。套用周期性邊界條件對平面波進行歸一化，可以算出單粒子態密度及其相應的費密動量以及同平均密度ρ0相對應的費密動量媡kF。ρ0=0.17核子每立方費密,kF近似為1.36費密-1。在溫度為0開時，粒子逐次填充在所有可能的最低單粒子態上。處於基態的原子核可以被認為是處在0開的費密氣體。 把費密氣體模型加以擴充，使之包含核子相互作用所產生的關聯效應，是核物質理論的主要課題。20世紀30年代所進行的最早期的研究，曾使用不具有奇異性的相互作用，試圖由選擇適當的交換混合來給出核力的飽和性。依據相互作用的冪次，進行了通常的微擾論計算。發現在這種非奇異相互作用下微擾級數收斂緩慢。而且對核子間相互散射的進一步研究表明，核子相互作用中存在相當強的排斥芯，不能套用通常的微擾論來處理。
中心問題
布呂克納-戈德斯通展開
50年代以來,核物質研究的中心問題是發展適當的微擾方法，以適應於相互作用中包含有奇異因素(即排斥芯)的體系。廣泛套用的是布呂克納-戈德斯通展開,也就是一般多粒子體系理論中套用的相連集團展開(linked-cluster expansion)方法。為了避免對相互作用部分V的矩陣元展開所導致的發散，在這種展開中用反應矩陣G（又稱G矩陣）的矩陣元代替了V的矩陣元。反應矩陣G藉助投影算符Q、能量因子e同相互作用V相聯繫，它滿足算符關係式G=V-VQe-1G。
這實際上是核物質中兩粒子間的近似等效相互作用。對排斥芯這樣的奇異相互作用,G的矩陣元卻是有限的。對不同的位勢進行了標準的、一級布呂克納- 戈德斯通展開的計算，所給出的各種位勢所對應的飽和點（同kF相對應的結合能值）落在很窄的一條帶中，即所謂的克斯特爾 (Coester)帶。這些結果同半經驗公式給出的值相近，但並不相符合。進一步的研究發現，以G代替V，並按G作展開，其結果將不收斂。
計算方法
針對布呂克納 -戈德斯通展開中不收斂的困難，引入了空穴線展開方法，在這種方法中，包括n條空穴線的相連圖形相應於n體關聯。但這種方法計及三體關聯，它仍得不到飽和點密度。可見收斂仍不夠快，而計算高級圖仍相當困難。
另一種發展的計算方法是相干波函式變分法，也稱為費密子超綱鏈方法 （FHNC）。 它套用賈斯特羅(Jastraw)型波函式來進行變分計算。計算表明,這種方法對中心力取得的結果比前述方法好，但對張量力仍有困難。一般認為這種方法用於研究高密度核物質具有較大優點，但方法本身還需進一步發展。改進核物質計算的另一個方面是進一步考慮多體力效應及考慮介子和Δ共振態自由度的存在。
新發展
由於天體物理及相對論性重離子碰撞研究的發展，處在高溫、高密度等極端條件下核物質的性質，越來越引起人們的注意。根據強子由夸克組成的假設（見強子結構），預計在極端條件下將存在夸克物質（由夸克、反夸克和膠子組成的電漿）。一般認為，它曾經在宇宙大爆炸過程中出現，也可能存在於中子星的內部。初步的計算還預言，當重離子核反應能量再繼續提高后，有可能觀察到通常核物質到夸克物質的相變。由於強相互作用理論本身存在許多不確定因素，這些研究還是相當初步的。
新形態探索
迄今為止，已發現的穩定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質子滴落線及自裂變半衰期大於1μs的限制邊界內所包圍的核素應有8000餘種，這表明有一大半核尚未被人們認識。根據目前的情況，考慮到可能的生成與鑑別方法，估計還可能被生成或鑑別600種左右的新核素，它們是世界各地有關實驗室不惜耗費重金搜尋的目標。
然而，隨著遠離β穩定線，未知新核素的生成截面也越來越小，壽命越來越短，使分離、生成和鑑別的難度越來越大。遠離穩定線原子核研究在核物理學中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有一系列獨特的性質，例如它們的中子、質子數之比異常，有的核結合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發射、β延遲衰變、表面結團結構、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨特現象的研究，有助於檢驗和發展現有的原子核理論。此外，現有的核結構模型，大部分是在β穩定線附近幾百種核研究基礎上建立起來的，如液滴模型、獨立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠β穩定線的原子核研究中得到檢驗、深化與發展。隨著新核素的生成與鑑別，以及隨著對它們的衰變性質及核結構的研究，會不斷地有新的現象被揭示，人們對核內部的結構以及運動規律的認識也將不斷地深化。此外通過對遠離β穩定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術的套用提供新的能源。總之，核物質新形態的研究是一個十分廣闊而又值得探索的新領域，這一領域中的任何新的進展都將能推動與它有關的原子物理、天體物理、核化學以及放射化學的進展。
在核物質新形態探索中，帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及夸克-膠子電漿的研究。
重離子核物理
這是近30年來，在核物理學研究中一個十分活躍又是極具有生命力的前沿領域。在本世紀50年代以前，人們在研究原子核的結構與變化時，只是利用質量小的輕離子，如氦核、氘核、質子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核，這一研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期，隨著加速粒子能力的提高，人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核，主要進行的是彈性散射與少數核子轉移反應。從60到80年代，重離子核反應開始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來，大約以每年發現30～40種新核素的速度發展著。1982年5月11日，美國勞侖斯-伯克利實驗室(LBL)第一次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核，並將其加速到每個核子147.7MeV的能量，整個鈾238離子的總能量達到35GeV。在這個能量上，離子速度達到了光速的二分之一。LBL的這一創舉，不僅開創了相對論重離子物理學，而且使核物理的研究跨入一個以前無法觸及的新領域，在這個新領域中，一些激動人心的奇特現象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一台稱為貝瓦萊克(Bevalac)的加速裝置獲得的。這台加速裝置由兩部分組成。
一部分是高能質子同步加速器，它只能把質子加速到10億電子伏，是40多年前建成，如今早已廢棄不用的老加速器，把它配了離子源和注入器，作為第一級加速器使用；另一部分是重離子加速器。通常，重原子的內層電子由於強庫侖作用，被緊緊地束縛在原子核外的內層，Bevalac先使鈾原子部分電離，形成帶少量正電荷的鈾離子。然後，令其加速，當鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時，使鈾離子穿過某種金屬膜，就會有相當多的電子被“剝離”，而形成帶較多正電荷的鈾離子，例如U68+。再使U68+繼續加速，再使其通過聚酯樹脂薄膜，得到U80+和U81+的離子混合物，最後再經過一層厚的鉭膜，全部電子均被“剝”淨，從而得到了絕大多數的裸鈾核。
包括LBL，目前世界上共有4台高能加速器作為重離子核反應的研究基地。到1982年為止，LBL已經能加速直到鈾元素的全部重離子；美國布魯克海汶國家實驗室(BNL)可以把16O、32S、192Au加速到15GeV/N(eV/N為每核子電子伏）；歐洲原子核研究中心(CERN)可以把16O、32S加速到60GeV/N；美國布魯克海汶國家實驗室擬在1996年建成的相對論重離子對撞機(RHIC)，投資4億美元。它建在原本為建造質子-質子對撞機所開掘的隧道里，隧道周長3.8km。它包括兩個巨大的超導磁環，最大磁場3.8T，可以使質量數小於或等於200的離子能量達到100GeV/N。它的一個重要目的就是研究在高溫、高密條件下，實現普通核到夸克-膠子電漿的相變。在今後的20年內，相對論重離子物理可望獲得重要進展。
夸克-膠子
相對論重離子物理學是近年來發展較快的核物理前沿領域，也是今後若干年核心物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度（達到1012K，即太陽中心溫度的 60000倍）以及極高密度（10倍於正常核物質密度）下，核由強子態向夸克物質態，即夸克-膠子電漿的相變。這項研究具有極其重要的意義。首先，夸克-膠子電漿是人們長期以來渴望求到卻又難以得到的一種物質形態。夸克-膠子電漿與一般的電的電漿不同，在夸克-膠子電漿中，夸克在強子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說，上一世紀給本世紀留下了兩個謎，一個是無絕對的慣性系，一個是波-粒二象性，這兩個謎已隨著愛因斯坦的相對論及量子力學的建成得以解決，那么，本世紀粒子物理學的發展又使另外兩個更深層次的謎，一是對稱性破缺，一是夸克禁閉呈現了出來。當前，描述自然界四種基本作用的理論是，描述強相互作用的量子色動力學(QCD)，描述電-弱相互作用的 SU(2)×U(1)的模型理論，描述引力作用的廣義相對論，這些理論的最終統一將使這兩個謎獲得最終解決，而相對論重離子物理研究又直接與這兩個謎相關，正因如此，有人稱這項研究具有“世紀性的地位”。根據核的相變理論，在正常溫度和正常密度ρN條件下，一般核物質處於正常核態；但當密度達到2ρN時，可能出現π凝聚，這是核物質具有較高秩序的狀態，類似晶體點陣排列的原子；當密度達到5ρN左右，單個核子產生許多新的激發能級，核變為激發態的強子物質；若再進一步壓縮核物質，使密度達到10ρN左右，核由強子激發態繼續發生相變，此時出現解除夸克禁閉，夸克跑出核子外，在比核子大得多的範圍內自由運動。此時，夸克與夸克間相互作用粒子組成夸克-膠子電漿(QGP)。雖然這種理論分析尚有許多不確定因素，卻引起了許多人的興趣。人們一致認為，高能重離子反應是實現這一相變的最有希望的途徑。有人估計，要實現普通核的非禁閉相變，核碰撞質心能量要達到100GeV/N。預計在1996年建成的美國布魯克海汶國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)將能滿足這一要求。
