原子核的密度分布

王艷召+張閃+楊慶芬

摘 要 文章簡單介紹了原子核密度分布的研究進展情況，這些內(nèi)容可以作為核物理教學中的補充材料，以開闊學生的視野。

關(guān)鍵詞 原子核的密度分布 奇特核 核物理教學

中圖分類號：O143 文獻標識碼：A

原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。那么，核內(nèi)核子的密度分布有什么特征呢？很多原子、原子核物理教材都對這方面的知識都做了不同程度的介紹。近年來，隨著加速器技術(shù)及核理論的不斷發(fā)展，奇特核性質(zhì)的研究成了核物理領(lǐng)域中備受關(guān)注的前沿領(lǐng)域。通常情況下，奇特核指的是遠離穩(wěn)定線的原子核，其具有較大的中質(zhì)比（即中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)比值較大）。本文結(jié)合近期的科研進展，介紹原子核內(nèi)核子密度分布的知識。教師可將這些科學前沿作為補充材料引入到核物理教學中，以開闊學生的視野。

圖1 56Fe的電荷密度分布

圖2 11Li和11B的中子、質(zhì)子的密度分布

質(zhì)子帶正電荷，電荷分布就是質(zhì)子的分布。利用高能電子在原子核上的散射或測量原子射線的能量都可以獲得電荷分布的知識。圖1為56Fe的電荷分布的實驗數(shù)據(jù)。①圖中縱坐標表示電荷密度，橫坐標表示遠離原子核中心的距離。由圖1可知，在核中央及其附近電荷密度是一常量，在邊界附近逐漸下降。

圖3 氣泡核34Si的質(zhì)子密度分布

除了電荷分布外，還要研究核內(nèi)中子的分布。利用高能質(zhì)子、€%i介子、中子或離子在原子核上的散射，可以得到核內(nèi)中子的分布情況。實驗研究表明，對于奇特核其中子分布半徑要略大于質(zhì)子分布半徑，即存在所謂的“中子皮”，其厚度一般約為0.2fm左右，而對于中質(zhì)比很大的一些奇特核，可以出現(xiàn)很厚的中子皮，甚至出現(xiàn)“中子暈”。中子暈是指遠離核芯外圍的中子而形成暈。11Li是人們研究最多的中子暈核，其暈厚達1.7fm左右。②實際上合成和探測暈核的難度很大，實驗結(jié)論往往與核模型相關(guān)，且暈核的定義和標準也不太明確，③所以導致中子皮核和中子暈核的界限很難劃分，一般認為中子密度分布尾巴拖得很長的為中子暈核。圖2是理論計算得到的11Li和11B（穩(wěn)定核）的中子、質(zhì)子的密度分布，④其中實線和虛線分別代表中子（）和質(zhì)子（）的密度分布，粗線和細線分別表示暈核和穩(wěn)定核的核子密度分布。由圖2可知，11Li的中子密度分布比11B要擴展很多，說明11Li的結(jié)構(gòu)比較松散。截止到目前為止，只有少數(shù)核，如6He，11Li（暈中含2個中子）及11Be（暈中含1個中子）等，被真正確認具有中子暈結(jié)構(gòu)，對其它一些核是否存在暈結(jié)構(gòu)尚存在爭議。最近有人利用平均場理論還預言了“巨中子暈”核的存在。除中子暈核外，在極端豐質(zhì)子的一些輕核中還存在質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)。

此外，理論預言在一些奇特核的中心附近核子的密度分布會出現(xiàn)嚴重壓低的現(xiàn)象，這些核被稱為“氣泡核”。圖3給出的是34Si的質(zhì)子密度分布的情況。⑤目前氣泡核的定義也不很明確，并且其存在與否尚未得到實驗的證實，但隨著新一代放射性束流裝置的建造、運行以及核探測技術(shù)的進步，其存在之謎最終會被解開。另外，理論研究氣泡核的結(jié)構(gòu)對加深核力的理解有著重要的科學意義，也成為了當前核物理領(lǐng)域中非?；钴S的研究課題之一。

基金項目：國家自然科學基金委（11305109）和石家莊鐵道大學十二五教育科學規(guī)劃重大課題（110105）

注釋

① H. D. Wohlfahrt， O. Schwentker， G. Fricke et al. Systematics of nuclear charge distributions in the mass 60 region from elastic electron scattering and muonic X-ray measurements[J]. Physical Review C，1980.22：264-283.

② Tanihata I， Hamagaki H， Hashimoto et al. Measurements of interaction cross sections and nuclear radii in the light p-shell region[J]. Physical Review Letters，1985.55：2676-2679.

③ 劉祖華，張煥喬.兩體暈和三體暈核[J].中國科學G輯，2003.33（3）：206-211.

④ 邢永忠，劉建業(yè)，左維等.中子暈核的松散結(jié)構(gòu)在重離子碰撞動量耗散中的作用[J].高能物理與核物理，2005.29：978-982.

⑤ Wang Y Z， Gu J Z， Dong J M et al. Tensor effects on proton sd states in neutron-rich Ca isotopes and bubble structure of exotic nuclei [J]， Physical Review C， 2011， 84， 044333.endprint