互动科普

晕核

Sam M. Austin，George F. Bertsch

拥有过多的中子或质子的原子核处于核的稳定性的边缘（称为滴线）。在这一压力下，有些核产生了一个晕圈。

过去50年间，物理学家一直把由质子和中子构成的原子核描绘成一个有确定表面的液滴。但情况并非总是如此。若干实验室中的研究人员现在已证实了一种全新的结构：在某些原子核中，部分组分质子或中子会跑到液滴表面以外形成一团雾状云，即晕圈，很像电子形成围绕原子核的电子云并构成原子一样。毋庸奇怪，这些扩大了的原子核其性质与通常的原子核大不相同。正常的原子核很难被激发或分裂，但晕核则是很脆弱的物体。它们比正常的原子核大，也更容易与正常的原子核发生相互作用。事实上，晕圈是一种量子现象，它并不遵从经典物理学的法则。因此，晕核很可能为物理学的核心难题之——即核的结合之谜——提供崭新的认识。

事实上，物理学家长期以来一直在苦苦思索质子和中子（即核子）能稳定地结合在一起形成原子核的种种可能的组合方式。这种平衡依赖于它涉及了多少中子和质子以及这些中子和质子间的作用力，且其依赖关系是相当复杂的。所有的核子都相互吸引，但只有质子和中子能彼此成对结合，形成所谓氘核。其结果是，只有那些质子数和中子数大致相等的原子核才具有足够的稳定性，能天然存在于地球上。

也存在质子数和中子数不相等的原子核，但它们的寿命有限。虽然它们是结合的核——这意味着需要花费一定的能量才能把它们的核子取出来——但它们并不稳定。β放射性可使它们的部分中子转变为质子，或使部分质子转变为中子，从而把它们变成更稳定的核素。这类转变过程有些发生在几毫秒内，有些则要过几百万年才会发生。不过，一般说来，如果把原子核显示在一张图在，以质子数为一根轴，以中子数为另一根轴，则那些离对角线越远的原子核，其寿命就越短。

在距这条对角线一定距离的地方——包括对角线的上方与下方——原子核的分裂同它的结合一样快。超过了这些界线（称为滴线），就不可能存在真正结合的原子核了。最奇异的原子核是那些刚好位于滴线以内的原子核，也就是处于核的稳定性的边缘上的原子核。这类极端的系统仅出现于比我们所处的环境恶劣得多的环境中。它们产生于那些曾合成了宇宙中的重元素，而现在则为新星、超新星和X射线暴源中的恒星爆发提供能量的反应。天体物理学家认为，沿下面一条滴线的原子核存在于中子星的壳层中。

中子晕的早期证据

直到十年前，物理学家还几乎没有什么手段来研究这类原子核。后来，劳伦斯伯克利实验室中的Isao Tanihata及其合作者们研究出了一种观察不稳定的原子核如何同其他原子核发生相互作用的方法。借助这种方法已发现了一大类原子核中的晕圈。迄今研究得最为彻底的晕核是锂的一种同位素，即锂11，它有3个质子和8个中子。对锂11核的短暂结构所作的分析，使我们得以深入了解一般晕圈的出人意料的特性。

劳伦斯伯克利实验室的研究人员是在1956年首次发现锂11的，但只是在十多年后它的不寻常结构才为人所知。1985年，Tanihata试图测量它的大小。他让通常的原子核在高能下碰撞，通过一个所谓“抛射物碎裂”（projectile frag mentation）的过程产生出一束不稳定的同位素。接着他又把一块碳箔置于束流中。然后他统计束流中有多少原子核穿过碳箔后仍存在下来。这个数字反映了这些原子核同靶箔中的原子核发生相互作用的可能性有多大。物理学家们用一个称为截面的量来表示这一几率。Tanihata发现锂11核的截面特别大。对此提出的解释是，锂11核带有圈。锂11核中的两个中子结合得很弱，致可在核心以外很远处漫游，这样它们很容易被靶所夺去。

这是一个惊人的发现。根据经典物理学的法则，一个被结合的粒子必须呆在核心的力的作用范围内。但在量子力学中，一种称为隧穿的著名效应使晕圈可能存在。为了直观显示这一现象，想象一位在槽形舞台上表演的滑板运动员。他的总能量限制了他借过的距离：他的能量越大，则他将达到的高度也越大。他丝毫也不能超过他向其运动中注入的能量允许他达到的高度。在量子力学中，这一限制不那么严格；即使是一位不卖力的滑冰运动员，偶尔也会冲出舞台。他能呆在舞台外面的时间是受到限制的，根据海森堡的不确定性原理，这一时间与他为了跑到外面而需要的额外能量有关。能量代价越低，则他可呆在外面的时间就越长。

对于象踩在滑板上的人这样大的一个物体，发生隧穿的几率小得简直无法想象，但在原子尺度和原子核的尺度上，这一效应可能是很显著的。如Tanihata所观察到的那样，锂11核中的隧穿效应就十分明显。最后两个中子的结合能只有数十万电子伏，比通常的结合能小一个多数量级。因此，这些中子只需要很少一些能量便可跑到原子核外。它们可在核外呆相当长的一段时间，扩展开来并形成一个稀薄的晕圈。事实上，与其它的原子核的大小相比较，锂11核晕圈到它的核心的平均距离约为5非米（1非米为1毫微微米），是具有相同质量的原子核的正常距离的两倍。

进一步的研究表明，锂11核在其它方面也是极不寻常的。同位素锂10——它的中子比锂11少一个——是非结合的，意味着它的3个质子和7个中子不能结合在一起形成原子核。如果从锂11核中取出一个中子，则马上又会跑掉一个中子，这样就成了锂9核。于是锂9核和这两个中子结合起来组成一个三体系统。如果任何一个粒子被拿走，这三体系统就解体了。由于这一原因，瑞典哥德堡大学的Mikhail Zhukov把锂11称为Borrornean核，因为它很象意大利Borrormeo的王子们的纹章标志。他们的纹饰上有三个套在一起的环，只要取下一个环.另外两个也就分开了。现在已知还有其它6种Borrornean核。

确定晕圈的特征

在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）的Rainer NeuBart及其合作者们研究了锂11核的三个组成部分（即两个晕中子和锂9核心）之间的相互作用，特别是检验了晕是否对核心有任何影响。他们用一种巧妙的方法测量了锂11的磁性质和电性质，发现它们同锂9核的磁性质和电性质相同。由于晕中子不带电荷——而且作为一对粒子它们既无自旋，也没有磁矩——这一结果支持了关于锂9核心和双中心晕基本上是相互独立的客体的看法。

有了这一信息，实验工作者们接着希望弄清锂11核中的各个核子是如何排列的。为此，劳伦斯伯克利实验室的Toshio Koba Yashi及其合作者考察了锂11核的动量分布。它们在量子力学法则支配下的运动满足构成海森堡不确定性原理一部分的另一个关系式。这个关系式表明，粒子不能具有精确的动量，而只有一个动量范围，它取决于由波函数决定的粒子在空间中的分布。波函数分布得越宽广，越平滑，粒子的动量就越确定。因此，如果一个晕圈分布在较大的距离上，而靶使晕圈从其核心中分离出来，则被分离的中子的动量与其初始动量相比几乎没有什么变化。中子将近于笔直地向前运动，其速度基本不变。

Koba Yashi和他的研究小组采用了一种稍微间接一点的方法来推导晕圈的动量。他们设法产生出使晕中子脱离锂11核的反应，然后观察向前运动的锂9核心。由于锂11核的初始动量是固定的，因此核心的动量的展宽必须与中子动量的展宽相符。运用这一关系，研究人员发现动量的分布是极为狭窄的，大致是在正常的原子核分裂期间测得的动量分布的五分之一左右。

在Alex C. Mueller的领导下，法国卡恩的GANII.实验室随后进行的实验测量了中子本身（而不是核心）的偏折。在这些条件下，晕核中子沿一个约两度宽锥形向前运动，来自普通原子核的中子则形成一个约十度宽的锥。遗憾的是，由于靶的弹性力也使粒子偏折，因此不大容易对这些实验作定量的解释。

密执安州立大学的一个研究小组——包括Bradley M. Sherrill，Nigel A. Orr和本文作者之一（Austin）——发现了克服此问题的一种方法。弹性力主要使粒子侧向偏转，但几乎不改变与束流方向相平行的动量分量。我们意识到，如果我们能够测量平行动量的展宽，那么晕圈的影响将是最明显的。但是我们所使用的锂11束其动量展宽为所要测量的影响的10倍。幸运的是，借助于密执安州立大学的A1200碎片分离器，实验人员能够驱除束流，并根据粒子动量改变的程度而不是根据其最终动量使粒子聚焦在斑点上。这样，碎片分离器就能够找出因分裂而造成的动量的变化。

密执安州立大学的研究人员运用这种所谓的能量损失运行模式，获得了比他们希望测量的动量分布宽度小得多的分辨率。用一个锂11束去轰击其质量分布在从铍到铀这样一个范围内的各种靶（这些靶置于碎片分离器中心的附近，每次放一种靶），由这些碎裂过程产生的锂9核具有狭窄的动量分布，其宽度几乎与靶的质量无关。由于核反应是轻靶碎裂的媒介，而电力（即库仑力）则影响着重靶的碎裂，因此我们的结论是，此结果与反应机制无关，而是直接反映了晕圈的结构。这些结果表明，锂11晕圈的半径为其核心的半径的两倍多。

模型与预测

当这些实验正在进行时，理论家们则在试图了解锂11核的独特性质。当时他们面临两大障碍——现在仍然面临这两大障碍。第一个障碍是，研究人员对核子间的力没有足够精确的了解，因此无法预测晕核的复杂的结合性质。第二个障碍是，即使这些力已知，现今的计算机也不具备解11个相互作用的核子的量子力学方程所需的速度和存储容量。但是，物理学家已经建立了一些较简单的模型，能够显示晕核的物理特性。

他们试图用他们的模型掌握的一个特性是多核子系统中配对的作用。一般地说，配对反应是一个系统中结合最弱的粒子间的吸引；它可能从根本上影响这个系统的特性。例如。在金属中，电子间的配对产生了超导性。配对反应对核结构的几乎每一方面也具有基本的重要性。它决定了哪些核是稳定的，而且它的存在促进了如核裂变这类改变形状的过程的流动性。稀薄的中子气中的配对，可影响子中星的性质，这些性质取决于中星子是否具有超流体的行为。最后，配对造成了Borromean行为。

基于对配对做出的一些差异极大的假设，研究人员提出了一大批有用的模型。丹麦奥胡斯大学的P. Gregers Hansen和瑞典查默斯技术大学的Bjorn Jonson在1988年提出了一个简单的模型。他们假定锂11的最后两颗中子之间的配对非常之强，以致这些核子可以被看作一个粒子，称为双中子（dineutron）。这个粒子在锂9核心的力场中的运动是一个二体问题，它比较容易解决。事实上，如果这一结合很弱——弱得这两个粒子没有什么机会发生相互作用——那么波函数就可以从教科书中查到。利用这一近似表示，Hansen和Jonson推导出了晕圈的大小的公式、高度带电靶的电场中的原子核破裂几率的公式以及破裂后双中子的能量公式。但是，在这样一种简单的模型中，他们无法计算出晕圈的结合能。

在密执安州立大学当学生时，James Foxwell在本文作者之一（Bertsch）的指导下研究了另一个极端的模型。与双中子模型形成鲜明对比的是，Foxwell的模型完全忽略了中子之问的配对。这个模型假定，最后两个中子中的每一个都是各自独立地结合于核心上的。这样，可以一次对一个中子解一个二体问题。Foxwell计算出了这一受激发系统的破裂几率和能量。与Hansen-Jonson模型一样。Foxwell的方法要求事先知道结合能。有趣的是，这两种截然不同的方法对于锂11核的易碎裂性给出了类似的预测，在估计锂11的截面时，它们的结果仅差二倍。

近来对晕圈的研究

自那时以来，理论家们已做出了更为复杂的模型，明确地把产生配对的力纳入到模型中。由于量子力学中的三体问题现在可以在大型计算机上用数字方法来解决，将锂11看作一个三粒子系统是切实可行的。阿贡国家实验室的Henning Esbensen利用对中子和锂9核心之间的相互作用的现实描述以及对配对力的一种更近似的处理方法计算了锂11的波函数。他的波函数表明，当中子远在晕圈中时，它们很有可能靠得非常近。

另一方面，当中子靠近核心时，它们倾向于呆在彼此相距较远的地方。因此，配对的真实的量子力学特性描述了这两个极端的模型界限以内的行为。计算出的截面位于这两个模型的预测值的中间，并与实验结果相吻合。正如核物理学中常常出现的那样，完全不同的模型可能都站得住脚，而它们各自适用的范围甚至可以重迭。三体模型也成功地预测了密执安州立大学的设施所测得的锂11核破裂时的动量展宽。

苏雷大学的Ian Thompson和他的合作者们也进行了类似的计算。这个研究小组利用了中子间的一种更现实的力，但他们对中子与核心间的相互作用则作了更近似的处理。该小组发现锂11是Borromean式的，而且有一个大晕圈。这些一致的结果使我们相信我们已经认识了低密度环境——如中子星的星壳上可能存在的那种环境——中的中子间的配对作用。

既然核性质的一个新的方面已被发现并得到研究，人们自然会问这样一个何题：由此出现我们将向哪个方向前进?很明显，晕圈影响许多核反应。例如，实验人员计划测量锂11与质子间的反应，以确定质子捕获两个中子并形成氘核的几率。中子间的相关性直接地影响这一几率，因为这两个中子必须靠得很近才能与一个轰击质子结合起来。通过分析这类反应，我们可以获得这些相关性的一个直接量度。

欧洲核子物理实验室的Karsten Riisage和他的合作者们所作的实验已经证明，晕核在发生β衰变时显示出独特的性质。他们观察到氦6这种Borromean核（氦6核有两个质子和4个中子)。当这个核发生β衰变时，它的晕中子中有一个可能变成质子。通常这个质子将仍结合在原子核上，但在氦6中，它可以与它在晕圈中的那个伴随中子相结合，形成一个氘核而逃逸出去。

更重要的是，物理学家们打算研究较重的核的晕圈。迄今为止的研究工作主要集中在两种核上，即锂11核和铍的一种同位素——铍11核，这两种核都比较容易产生并分离出来。现在正在规划新的设施以制出更重的核系统。但科学家们已经开始利用其现有的设备来寻找质量在20左右的晕核。某些研究人员现在在分析铍14这种Borromean。核。密执安州立大学的研究人员已经测量了碳的同位素碳19的动量分布（碳19核的中子比碳的最稳定形式——碳12的中子多7个）。法国GANIL实验室的研究人员已发现了碳22，它的中子还要多3个。

理论家们也在开始研究有两个以上的晕圈核子的滴线核的性质。在这样一类核系统中，配对的多粒子方面变得特别显著。在Borromean核中，这些晕圈可能远远大于锂11中的晕圈。华盛顿大学的物理学家Vitaly Efimov已预测到这样一种现象。他证明，当一个三体系统中的粒子间的相互作用强得几乎足以把它们一次两个地结合起来时，这个系统就可能有许多较大的晕圈状态，或许有无穷多个这种状态。

最后，弱结合的质子也可能产生核晕圈。最著名的例子大概是硼的同位素硼8，它有一个结合得非常松散的质子。这个质子的结合甚至比锂11中的中子的结合还弱，它的晕圈很可能是非球形的。为了确定是否如此，若干实验室中的研究小组正在测量该核的平行动量分布。

天体物理学家们对硼8核特别感兴趣，因为它在太阳中产生出容易检测到的中微子。观察到的太阳中硼8衰变产生的中微子数远远小于理论预测数，从而造成一个显著的反常问题。了解这种核的确切性质很可能提供解决这一难题的线索。对滴线附近的原子核的研究肯定将得出更多的出人意料的结果。但是，晕圈已经使我们懂得了在稳定性的外部边界处发生的许多东西。

【郭凯声/译  刘义思/校】