原子核物理学

同位素与半衰期。N-Z 图表示原子核物理学中每个原子的同位素。

原子核物理学（英语：Nuclear Physics），简称核物理学，核物理或核子物理，是研究原子核及其成分和相互作用的物理学领域，此外还研究其他形式的核物质。这是研究遵循强相互作用的粒子的多体问题的学科。主要研究原子核的核结构和核反应（核裂变反应、核聚变反应）的领域。研究原子核和强子材料特性的强子物理学(Hadron physics)也是该领域的一部分。实验原子核物理学建议研究非常高能的现象（所涉及的能量范围从几电子伏特(MeV)到几吉电子伏特(GeV)）并且在空间中非常局限化（距离的数量级为10^-12cm）。

原子核物理学不应与原子物理学相混淆，原子物理学研究整个原子，包括其电子。

虽然有两种成分（注：超核添加了几种成分），但其特点是根据质子和中子的数量以及激发方法的不同而具有各种结构。作为核子的主要相互作用的“强相互作用”尚未完全阐明，物理性质理论中的构成粒子无限大的近似是不允许的，表面效应很重要。自发现以来已近一个世纪，未知部分仍然存在，两项理论实验都在积极研究中。

它主要有三大领域：研究各类次原子粒子与它们之间的关系、分类与分析原子核的结构并带动相应的核子技术进展。原子核物理学最常见的和有名的应用是核能发电的和核武器的技术，但研究还提供了在许多领域的应用，包括核医学和核磁共振成像，材料工程的离子注入，以及地质学和考古学中的放射性碳定年法。粒子物理学领域是从原子核物理学演变出来的，并且通常被讲授与原子核物理学密切相关。

粒子物理学建立后，核物理已不再处于物质结构研究的最前沿。核能利用方面也不像前阶段那样迫切需要核物理提供数据、研制关键设备。从70年代起，核物理进入纵深发展和广泛应用的更为成熟的阶段。

在现阶段，由于重离子加速技术的发展，已能有效地加速从氢到铀全部元素的离子，能量达到每核子1×109eV，扩充了变革原子核的手段，使重离子核物理研究有全面的发展。强束流的中、高能加速器不仅提供直接加速的离子流，还能提供诸如π介子、K介子等次级粒子束，从另一方面扩充了研究原子核的手段，加速了高能核物理的发展。超导加速器将大大缩小加速器的尺寸，降低造价和运转费用，并提高束流的品质。

核物理实验方法和射线探测技术也有了新的发展。微处理机和数据获取与处理系统的改进，影响深远。过去，核过程中同时测定几个参量就很困难；现在，一次记录几十个参量已很普遍。对一些高能重离子核反应，成千个探测器可同时工作，一次记录和处理几千个参量，以便对成千个放出的粒子进行测定和鉴别。另一方面，一些专用的核技术设备都附有自动的数据处理系统，简化了操作，推广了使用。

核物理基础研究的主要目标有两个方面：①通过核现象研究粒子的性质和作用，特别是核子间的相互作用。一些重要问题如中子的电偶极矩、中微子的质量和质子的寿命等都要通过低能核物理实验测定；粒子间相互作用的重要知识也可由中高能核物理提供。②核多体系运动的研究、核多体系是运动形态很丰富的体系，过去主要研究了基态和低激发态的性质以及一些核反应机制，对于高自旋态、高激发态、大变形态以及远离b 稳定线核素等特殊运动形态的研究才刚开始，对基态和低激发态的实验知识也不足，远小于多体波函数提供的信息。核运动形态的研究将在相当长的时期内成为核物理基础研究的主要部分。

核技术的广泛应用是本阶段的重要特点。常用的小型加速器已投入工业生产，成千上万台加速器在研究所、大学、工厂和医院中运转，钴60放射源的使用更为普遍；另一方面，几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。核技术应用主要有以下几个方面：①为核能源的开发服务，为大型核电站到微型核电池提供更精确的数据和更有效的利用途径。②同位素的应用，这是应用最广泛的核技术，包括同位素示踪、同位素仪表和同位素药剂等。③射线辐照的应用，利用加速器及同位素辐射源，进行辐照加工、食品消毒保鲜、辐照育种、探伤以及放射医疗。④中子束的应用，除利用中子衍射分析物质结构外，还用于辐照、掺杂、测井、探矿及生物效应，如治癌。⑤离子束的应用，大量的加速器是为了提供离子束而设计的，离子注入技术是研究半导体物理和制备半导体器件的重要手段，离子束则是无损、快速、痕量分析的主要手段，特别是质子微米束对表面进行扫描分析，对元素含量的探测极限可达1×10^-15～1×10^-18克，是其他方法难以比拟的。

在原子核物理学诞生、壮大和巩固过程中，核技术的应用使核物理基础的研究获得广泛的支持，后者又为前者不断开辟新的途径。这两方面的需要推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展；而这两门技术的新发展，又有力地促进了核物理的基础和应用的研究。这种相互推动，共同发展的趋势，将在核物理的新阶段中，发挥日益巨大的作用。

原子核物理学作为一门不同于原子物理学的学科的历史始于1896年亨利·贝克勒 (Henri Becquerel)在研究铀盐中的磷光时发现的放射性。一年后，约瑟夫·汤姆孙 (J. J. Thomson)发现了电子，这表明原子具有内部结构。在20世纪初，公认的原子模型是约瑟夫·汤姆孙的“梅子布丁模型 (汤姆孙模型)”模型，其中原子是一个带正电的球，其中嵌入了较小的带负电的电子。

在随后的几年里，放射性得到了广泛的研究，特别是玛丽·居里、皮埃尔·居里、欧内斯特·卢瑟福和其他人。到世纪之交，物理学家还发现了三种从原子发出的辐射，他们将其命名为阿尔法α衰变、β衰变和伽马γ辐射。奥托·哈恩(Otto Hahn)在1911年和詹姆斯·查德威克在1914年的实验发现β衰变光谱是连续的而不是离散的。也就是说，电子以连续的能量范围从原子中射出，而不是在伽马和阿尔法衰变中观察到的离散能量。这在当时是原子核物理学的一个问题，因为它似乎表明在这些衰变中能量不守恒。

1903年诺贝尔物理学奖因贝克勒的发现和玛丽·居里和皮埃尔·居里后来对放射性的研究而共同获得。卢瑟福因“对元素分解和放射性物质化学的研究”而于1908年获得诺贝尔化学奖。

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了质能等价的概念。虽然贝克勒和居里夫人对放射性的研究早于此，但对放射性能量来源的解释必须等待发现原子核本身是由较小的成分——核子组成。

卢瑟福的研究小组发现了原子核

1907年欧内斯特·卢瑟福发表了论文“来自镭辐射的α粒子穿过物质。”汉斯·盖格（Hans Geiger）在与英国皇家学会的交流中扩展了这项工作，他和卢瑟福做了实验，让阿尔法粒子穿过空气、铝箔和金箔。盖格和欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden）于1909年发表了更多成果，并且盖格于1910年发表了进一步极大扩展的成果。1911年至1912年，卢瑟福在皇家学会面前解释了这些实验，并提出了我们现在所理解的原子核新理论。

爱丁顿和恒星核聚变

大约在1920年，亚瑟·爱丁顿在他的论文《恒星的内部构成》(Internal Constitution of the Stars)中预测了恒星核聚变过程的发现和机制。那时，恒星能量的来源完全是个谜。爱丁顿正确地推测，来源是氢聚变成氦，根据爱因斯坦的方程E = mc²释放出巨大的能量。这是一个特别显着的发展，因为当时还没有发现核聚变和热核能，甚至恒星主要由氢组成（参见金属丰度）。

核自旋研究

卢瑟福模型运行良好，直到1929年加州理工学院的佛朗哥·拉塞蒂 (Franco Dino Rasetti)对核自旋进行了研究。到 1925 年，人们知道质子和电子的自旋为± 1⁄2。在氮-14的卢瑟福模型中，在总共21个核粒子中的20个应该配对以抵消彼此的自旋，最后一个奇数粒子应该以1⁄2的净自旋离开原子核。然而，拉塞蒂发现氮-14的自旋为1。

詹姆斯·查德威克发现中子

1932年查德威克意识到被瓦尔特·博特，赫伯特·贝克尔，伊雷娜和弗雷德里克·约里奥-居里观察到的辐射，实际上是因为与质子有着相同质量的中性粒子，他称之为中子（由卢瑟福建议需要这样的粒子）。同年，德米特里·伊万年科(Dmitri Ivanenko)提出原子核中没有电子——只有质子和中子——中子是自旋1⁄2的粒子，这解释了质量不是由质子引起的。中子自旋立即解决了氮-14自旋的问题，因为该模型中的一个不成对的质子和一个不成对的中子在同一方向上各自贡献了1⁄2的自旋，最终总自旋为1。

同时，海森堡提出原子核实际上是由一组质子和中子组成的。

随着中子的发现，科学家们终于可以通过将核质量与构成它的质子和中子的质量进行比较，计算出每个原子核的结合能比例。以这种方式计算核质量之间的差异。当测量核反应时，发现这些与爱因斯坦计算的质量和能量的当量在1934年的1%以内是一致的。

汤川秀树的介子假设绑定原子核

1935年汤川秀树提出的强作用力的第一个显着理论来解释如何原子核保持在一起。在汤川耦合虚拟粒子，后来被称为介子，介导所有的核子之间的力，包括质子和中子。

现代原子核物理学

一个重核可以包含数百个核子。这意味着通过某种近似，它可以被视为经典力学系统，而不是量子力学系统。在由此产生的液滴模型(Liquid-drop model)中，原子核的能量部分来自表面张力，部分来自质子的电排斥。液滴模型能够再现原子核的许多特征，包括结合能相对于质量数的总体趋势，以及核裂变现象。

然而，叠加在这张经典图片上的是量子力学效应，可以使用核壳层模型来描述，该模型在很大程度上由德国物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶 (Maria Goeppert Mayer)和约翰内斯·延森 (J. Hans D. Jensen)开发。具有一定“神奇”数量的中子和质子的原子核特别稳定，因为它们的壳被填满了。

目前原子核物理学的大部分研究都与极端条件下的原子核研究有关，例如高自旋和激发能。原子核也可能具有极端的形状（类似于橄榄球甚至梨的形状）或极端的中子质子比。实验者可以使用来自粒子加速器的离子束，使用人工诱导的聚变或核子转移反应来创建这样的原子核。具有更高能量的光束可用于在非常高的温度下产生原子核，并且有迹象表明，这些实验已经产生了从正常核物质到新状态的相变，即夸克-胶子电浆状态，其中的一个夸克与另一个夸克混合，而不是像在中子和质子中那样被分离成三重态。

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