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核物理前沿發(fā)展的深入總結(jié)
中國(guó)原子能科學(xué)研究院丁大釗、陳永壽和張煥喬三位研究員編著的《原子核物理進(jìn)展》，是一本全面介紹核物理前沿的專著。該書對(duì)近10年來原子核物理的主要成就及下世紀(jì)初三個(gè)重要的發(fā)展研究領(lǐng)域做了系統(tǒng)的論述，并適當(dāng)結(jié)合作者和我國(guó)其他科研工作者的研究成果。它可引導(dǎo)青年研究者直接達(dá)到原子核物理學(xué)的最前沿。對(duì)于從事天體物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理等方面研究的研究人員，本書也極具參考價(jià)值。恰逢天然放射性發(fā)現(xiàn)100周年及王淦昌教授90華誕前夕，正是王教授的學(xué)生編……朱光亞教授為本書所作的序言對(duì)原子核物理學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展、與其他學(xué)科的交叉、及下一個(gè)世紀(jì)的展望做了極好的描述。原子核物理研究的基本問題包括：核的構(gòu)成及“版圖”是怎樣的？核子間相互作用及其表現(xiàn)形式是怎樣的？核的轉(zhuǎn)化規(guī)律是怎樣的？……隨著加速器技術(shù)、探測(cè)器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們可以獲得更高能量及各種種類的離子（包括放射性離子），它可用作炮彈去轟擊各種不同的原子核（靶核），產(chǎn)生各種核反應(yīng)產(chǎn)物，從而研究原子核物理學(xué)的各種基本問題。促使原子核物理學(xué)在更高激發(fā)能、更高角動(dòng)量和更大同位旋等的自由度內(nèi)不斷開拓新領(lǐng)域。
本書基本上是圍繞著這個(gè)發(fā)展主線來描述的。全書共分八章，第一章緒論，概述了80年代以來原子核物理發(fā)展的主要成就，并展望今后可能取得重大進(jìn)展的前沿方向，非常值得普通讀者一讀。第二至第五章分別論述了核結(jié)構(gòu)和亞位壘融合及核裂變理論方面的最新成就。第六至第八章分別論述了下世紀(jì)初期原子核物理研究的三個(gè)前沿領(lǐng)域：中高能核－核碰撞，亞核子自由度研究和放射性束物理。
核結(jié)構(gòu)一直是原子核物理學(xué)研究的中心課題之一在證實(shí)原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè)并建立了核的殼模型和集體模型以后，出現(xiàn)了兩個(gè)新領(lǐng)域——原子核的高自旋態(tài)研究和巨共振研究，揭示原子核在快速轉(zhuǎn)動(dòng)和具有更高激發(fā)能時(shí)的核結(jié)構(gòu)特性。最近幾年隨著放射性核束裝置投入使用，當(dāng)強(qiáng)烈改變核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)平衡，推向質(zhì)子滴線和中子滴線時(shí)的原子核結(jié)構(gòu)特性已引起人們的極大興趣。本書第二、三章詳細(xì)介紹了這些方面的新進(jìn)展和發(fā)展前景，詳細(xì)介紹了高自旋態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)的回彎現(xiàn)象。有些現(xiàn)象的物理內(nèi)涵至今還沒有搞清楚。特別地，為了便于讀者理解，作者對(duì)于巨共振的一般知識(shí)和各種巨共振模式做了系統(tǒng)介紹，并著重介紹了新的中子暈核產(chǎn)生的軟模式巨共振，建立在激發(fā)態(tài)上的巨共振，巨共振的各種衰變方式，原子核自旋同位旋激發(fā)，磁巨共振，高溫轉(zhuǎn)動(dòng)核的巨共振等前沿課題。
核裂變的發(fā)現(xiàn)是原子核物理基礎(chǔ)研究的產(chǎn)物，并已得到了廣泛的應(yīng)用，但是有關(guān)核裂變的許多問題尚未完全搞清楚，一直還是原子核研究的一個(gè)重要方面。本書第四、五章論述壘下重離子融合裂變反應(yīng)和原子核裂變，也提到了作者在這方面的近期成果，內(nèi)容豐富，有的現(xiàn)象用理論解釋還有偏差。作者也介紹了最近少量有關(guān)中子暈（皮）核的近壘和壘下裂變反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及兩種相反的理論預(yù)言，并預(yù)計(jì)這方面研究將開辟重離子核反應(yīng)的新方向。對(duì)通常原子核的裂變反應(yīng)以及現(xiàn)有的核裂變的液滴模型、裂變道理論、裂變理論的殼修正、核裂變的擴(kuò)散模型、用多維輸運(yùn)過程來研究裂變動(dòng)力學(xué)以及裂變理論中的量子修正，書中都有介紹。并對(duì)形狀同質(zhì)異能態(tài)現(xiàn)象、裂變中的延遲現(xiàn)象等實(shí)驗(yàn)及其理論進(jìn)行了詳盡的描述。對(duì)耗散裂變從唯象描述到微觀理論的發(fā)展，作者給出了一個(gè)極好的展望。對(duì)裂變過程中的時(shí)標(biāo)和核的粘滯性直到裂變理論和相關(guān)的非平衡態(tài)理論的關(guān)系也有很好的描述。
從第六章開始本書著重描述下世紀(jì)原子核物理可能會(huì)取得重大進(jìn)展的三個(gè)前沿領(lǐng)域。第六章是有關(guān)中高能和相對(duì)論性核－核碰撞的，其中重大課題有：核物質(zhì)的狀態(tài)方程；核物質(zhì)相變，包括液氣相變和夸克－膠等離子體(QGP)的產(chǎn)生；熱核性質(zhì)和多重碎裂衰變的新模式等。宇宙初期大爆炸時(shí)可能產(chǎn)生QGP，這是人們從未認(rèn)識(shí)過的新物態(tài)。作者從介紹核態(tài)方程的一般知識(shí)開始，進(jìn)而較為詳細(xì)地介紹了理論研究的現(xiàn)狀，包括玻耳茲曼－烏林－烏倫貝克(BUU)方程，量子分子動(dòng)力學(xué)方法(QMD)及核－核碰撞的輸運(yùn)模型的蒙特卡羅模擬，然后描述中高能核－核碰撞的有關(guān)實(shí)驗(yàn)及其解釋。最后詳細(xì)地介紹了QGP產(chǎn)生的有關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)上診斷QGP產(chǎn)生的方法。對(duì)QGP的研究將對(duì)原子核物理，粒子物理和天體物理產(chǎn)生重大影響，但到目前為止，還沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)明確表明QGP的存在。人們期待著20世紀(jì)末美國(guó)相對(duì)論性重離子加速器RIHC的運(yùn)行及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除了通過觀察中子星和超新星爆發(fā)可以獲得部分有關(guān)高溫高密核物質(zhì)的信息外，中高能核－核碰撞是目前實(shí)驗(yàn)室中研究高溫高密核物質(zhì)的唯一途徑，這方面將有許多新的結(jié)果出現(xiàn)。
自80年代放射性核束裝置問世以來，人們發(fā)現(xiàn)了中子暈核等一系列新現(xiàn)象。國(guó)際核物理學(xué)界普遍認(rèn)為，放射性核束物理，包括它在天體物理和其他相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用是今后一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)原子核物理學(xué)重要的前沿領(lǐng)域之一。本書第七章對(duì)放射性核束產(chǎn)生的方法和有關(guān)裝置做了詳細(xì)的介紹，特別介紹了我國(guó)學(xué)者提出的蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)裝置和北京放射性核束裝置。這是一個(gè)方興未艾的新領(lǐng)域。許多發(fā)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)核理論模型提出了尖銳的挑戰(zhàn)。利用放射性核束進(jìn)行的核反應(yīng)和傳統(tǒng)的核反應(yīng)有很多不同之處，特別是一些學(xué)者提出用這種核反應(yīng)來合成超重元素，從而擴(kuò)展人們已經(jīng)知道的元素種類，放射性核束將大大提高人們合成新元素并研究這些新核素的性質(zhì)的能力。自然界除了200多種穩(wěn)定核素外，理論預(yù)言大約還有6000個(gè)以上的不穩(wěn)定核素，到目前為止人們合成了其中的2000多個(gè)，放射性核束將使人們更容易去合成這些未知的核素，特別是當(dāng)這些核素越來越接近于中子滴線和質(zhì)子滴線時(shí)，將表現(xiàn)出許多新奇的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)并解釋這些性質(zhì)將是對(duì)原子核物理學(xué)的重大挑戰(zhàn)。
放射性核束的產(chǎn)生和應(yīng)用還打開了核天體物理學(xué)的新局面，它主要研究宇宙和天體中各種元素及其同位素的核合成機(jī)制、時(shí)間、物理環(huán)境和宇宙場(chǎng)所。核反應(yīng)在天體演化和宇宙演化中起著極其重要的作用，它是恒星和超新星爆發(fā)的主要能源，導(dǎo)致了天體和宇宙中各種化學(xué)元素和同位素的產(chǎn)生。迄今為止，天體物理學(xué)感興趣的一些核反應(yīng)的截面及其隨能量的變化，多半是通過理論計(jì)算或是從較高能區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外推到天體核反應(yīng)發(fā)生的能區(qū)而得到的，而且特別缺少不穩(wěn)定核的數(shù)據(jù)，放射性核束正好可以填補(bǔ)這個(gè)空缺。實(shí)驗(yàn)核天體物理學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)以放射性核束引起的熱核反應(yīng)為重點(diǎn)的新的發(fā)展階段。書中對(duì)宇宙大爆炸后初始核合成，主序星和高溫天體環(huán)境中氫的燃燒，天體中比較重的元素的合成所需的核反應(yīng)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法都做了介紹。
本書的最后一章是有關(guān)原子核亞核子自由度及量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)的。目前人們普遍相信基于夸克和膠子自由度的量子色動(dòng)力學(xué)是強(qiáng)相互作用的基本理論。組成原子核的粒子是由三個(gè)夸克構(gòu)成的體系，因此原子核的運(yùn)動(dòng)和作用規(guī)律必然反映比核子更深層次的物質(zhì)規(guī)律。原子核物理的最終目標(biāo)是把核介質(zhì)現(xiàn)象與夸克膠子及相應(yīng)的QCD理論聯(lián)系起來。因此它將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)原子核物理研究的中心之一。本章較為詳細(xì)地介紹了已取得很多成功的核力的介子交換理論，表明原子核的性質(zhì)不僅由質(zhì)子與中子組成的量子多體系統(tǒng)及集體運(yùn)動(dòng)決定，還必須引入亞核
子自由度，即介子、核子共振態(tài)以及反核子等強(qiáng)子自由度，進(jìn)而闡述了核多體問題的相對(duì)論粒子－介子模型及其在核結(jié)構(gòu)和奇異核研究方面取得的成功。然后又簡(jiǎn)短地介紹了在粒子物理學(xué)中取得成功的夸克模型，強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)和把QCD及電弱相互作用理論結(jié)合構(gòu)成的基本粒子理論的標(biāo)準(zhǔn)模型。
在此基礎(chǔ)上，作者還詳細(xì)介紹了正在逐步形成學(xué)科前沿的核色動(dòng)力學(xué)。目前主要向兩個(gè)方面進(jìn)行探索，即利用夸克和膠子自由度對(duì)高能（即短距離）過程的強(qiáng)子和核性質(zhì)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探索；研究在低能（長(zhǎng)距離）時(shí)QCD的性質(zhì)。這是對(duì)強(qiáng)子、核力和其他重子－重子相互作用及核現(xiàn)象的描述。這部分內(nèi)容涉及原子核物理的根本基礎(chǔ)，在這個(gè)方向上原子核物理正在和粒子物理發(fā)生交叉，無疑這對(duì)于人們更好地理解分子－原子－原子核－核子－夸克等物質(zhì)結(jié)構(gòu)“鏈條”中各部分的作用及其相互關(guān)系起到極大的推動(dòng)作用。
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