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类球核:从猜想到证实(2)液滴

已有 1229 次阅读 2025-8-18 17:17 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

        1911年,伟大的卢瑟福根据α粒子散射实验的奇怪结果,揭示出在原子的中心位置存在着一个几乎集中了所有原子质量,并且具有正电荷的实体,也就是原子核。虽然核现象被更早的发现,但是原子核的发现要晚了许多。

    随后的实验揭示了一些重要的结果,特别是原子核的饱和性的发现。而这启发了一位天才,也就是伽莫夫,提出了原子核的液滴模型。1925年,量子力学诞生。随后,伽莫夫就应用量子力学的理论解释了原子核的α衰变现象(还有另外两人也独立的解决了该问题)。随后,伽莫夫更进一步,提出了液滴模型(1930年),引起了玻尔的极大兴趣。这个概念后来在研究核裂变中扮演了决定性的角色。

    伽莫夫一生中最重要的贡献是提出了热大爆炸宇宙学理论,这在今天已经成为宇宙学的正统理论。可惜,伽莫夫最终没有获得诺贝尔物理学奖,但是他对物理学的影响确实是巨大的。

    把原子核看成是一个液滴,也就是不可压缩的液体,成为了核物理学的基本观念。原子核的饱和性,意味着原子核的体积与核子数成正比。核子之间具有强的吸引作用,但是随着核子数的增加,并没有导致单个核子的体积密度的减少,这是一个非常奇异的事情。这说明核子本身非常硬。如果质子和中子是基本粒子,那么这没有什么问题。

    液滴模型的提出,为核物理学的发展奠定了基础,也导致了系统性的偏差。到了上个世纪七十年代,我们才清楚,核子也不是基本粒子,而是由三个价夸克和大量的海夸克和胶子构成的极其复杂的粒子。而核力其实是夸克胶子之间的色力的剩余作用。(这句话都这么说,但是究竟是什么,其实一直都不确定,因为我们对于色禁闭的机制不清楚)

    所以一个最奇特的事情就是,虽然量子色动力学已经发现了五十多年了,但是并没有影响核结构领域。两者似乎从来都没有关系。

    但是问题就在这里。核力是强的吸引力,而核子的内部也不是钢球一块,而是复杂的系统,所以为什么会有饱和性? 最直观的结果,是随着核子数的增加,原子核应该变得更加紧密才对。液滴模型的观念,其实是有问题的。

    很显然,在核子的短距离上存在一种极强的排斥作用,导致核子不会更加接近。而在短距离上,夸克胶子的色作用和色禁闭,也一定会扮演者重要的角色。

    正是吸引作用和排斥作用的共同作用,这种饱和性才得以维持。这个问题已经引起了核物理学的研究者的关注,但是对于核结构领域的研究者来说,似乎没有意识到。

    当伽莫夫提出液滴的观念以后,原子核的形状也就成为了一个基本的概念。毫无疑问,对比一个带电液滴,原子核就一定是球形的。这是关于原子核形状的最初的看法。原子核集体观念的创立者其实就是伽莫夫。

    伽莫夫在很年轻的时候就展现了深刻的洞察力(他出生于1904年)和无与伦比的才华,这从卢瑟福的导师,发现电子的汤姆孙的赞扬中可以看到。有一次汤姆孙看到伽莫夫骑着摩托车说:“快把他从摩托车上拽下来,如果他死了,物理学将倒退20年!”



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