粒子物理

粒子物理學(xué)建立后，在上一個(gè)世紀(jì)六十年代，核物理學(xué)和粒子物理分道揚(yáng)鑣，核物理學(xué)已不再處于物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的最前沿。這是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的一個(gè)重大失誤，也是近代物理學(xué)的一個(gè)悲劇。原子核是微觀物質(zhì)的基石，在某種意義上說，無論是基本粒子理論或原子理論都應(yīng)該建立在原子核理論基礎(chǔ)上。原子只是原子核在核外空間(0.1納米)的一個(gè)表象，而且是一種特殊(如地球環(huán)境)的物相，原子核在核外空間更普遍的存在的物相是等離子態(tài)。最簡單的核是氫原子核，也稱為質(zhì)子，另一個(gè)核子稱為中子，核子是最基本的粒子，其它的物理粒子如介子、輕子等都是原子核反應(yīng)的產(chǎn)物，在原子核反應(yīng)中最基本量子數(shù)是核的質(zhì)量數(shù)A，這是個(gè)守恒量。物理學(xué)有本末倒置之嫌，這是從原子核的質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)和電子深度非彈性散射(deep inelastic scattering)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論。我們可以回顧原子物理學(xué)和原子核物理學(xué)的歷史，從1913年到1927年，曾經(jīng)出現(xiàn)四個(gè)關(guān)于氫原子理論(玻爾理論、索末菲理論、薛定格理論和狄拉克理論) 這些理論都能說明氫原子的光譜，而從海森伯1932年提出原子核結(jié)構(gòu)之后，近八十年時(shí)間中，曾出現(xiàn)許多原子核的理論，沒有任何一個(gè)理論能夠解釋原子核的質(zhì)量等靜態(tài)數(shù)據(jù)和核的放射性，這說明人們對(duì)原子的認(rèn)識(shí)基本是正確的，而對(duì)原子核的認(rèn)識(shí)從一開始就進(jìn)入了誤區(qū)。

核能利用方面也不像前階段那樣迫切需要核物理提供數(shù)據(jù)、研制關(guān)鍵設(shè)備。從70年代起，核物理進(jìn)入縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的更為成熟的階段。

核物理的今天

在現(xiàn)階段，由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，已能有效地加速從氫到鈾全部元素的離子，能量達(dá)到每核子1×109eV，擴(kuò)充了變革原子核的手段，使重離子核物理研究有全面的發(fā)展。強(qiáng)束流的中、高能加速器不僅提供直接加速的離子流，還能提供諸如π介子、Κ介子等次級(jí)粒子束，從另一方面擴(kuò)充了研究原子核的手段，加速了高能核物理的發(fā)展。超導(dǎo)加速器將大大縮小加速器的尺寸，降低造價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，并提高束流的品質(zhì)。

核物理實(shí)驗(yàn)方法和射線探測(cè)技術(shù)也有了新的發(fā)展。微處理機(jī)和數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)的改進(jìn)，影響深遠(yuǎn)。過去，核過程中同時(shí)測(cè)定幾個(gè)參量就很困難，當(dāng)前，一次記錄幾十個(gè)參量已很普遍。對(duì)一些高能重離子核反應(yīng)，成千個(gè)探測(cè)器可同時(shí)工作，一次記錄和處理幾千個(gè)參量，以便對(duì)成千個(gè)放出的粒子進(jìn)行測(cè)定和鑒別。另一方面，一些專用的核技術(shù)設(shè)備都附有自動(dòng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，簡化了操作，推廣了使用。

目標(biāo)

核物理基礎(chǔ)研究的主要目標(biāo)有兩個(gè)方面:①通過核現(xiàn)象研究粒子的性質(zhì)和作用，特別是核子間的相互作用。一些重要問題如中子的電偶極矩、中微子的質(zhì)量和質(zhì)子的壽命等都要通過低能核物理實(shí)驗(yàn)測(cè)定;粒子間相互作用的重要知識(shí)也可由中高能核物理提供。②核多體系運(yùn)動(dòng)的研究。核多體系是運(yùn)動(dòng)形態(tài)很豐富的體系，過去主要研究了基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)以及一些核反應(yīng)機(jī)制，對(duì)于高自旋態(tài)、高激發(fā)態(tài)、大變形態(tài)以及遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線核素等特殊運(yùn)動(dòng)形態(tài)的研究才剛開始，對(duì)基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)也不足，遠(yuǎn)小于多體波函數(shù)提供的信息。核運(yùn)動(dòng)形態(tài)的研究將在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)成為核物理基礎(chǔ)研究的主要部分。

核技術(shù)的廣泛應(yīng)用是本階段的重要特點(diǎn)。常用的小型加速器已投入工業(yè)生產(chǎn)，成千上萬臺(tái)加速器在研究所、大學(xué)、工廠和醫(yī)院中運(yùn)轉(zhuǎn)，鈷60放射源的使用更為普遍;另一方面，幾乎沒有一個(gè)核物理實(shí)驗(yàn)室不在從事核技術(shù)的應(yīng)用研究。核技術(shù)應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:①為核能源的開發(fā)服務(wù)，為大型核電站到微型核電池提供更精確的數(shù)據(jù)和更有效的利用途徑。②同位素的應(yīng)用，這是應(yīng)用最廣泛的核技術(shù)，包括同位素示蹤、同位素儀表和同位素藥劑等。③射線輻照的應(yīng)用，利用加速器及同位素輻射源，進(jìn)行輻照加工、食品消毒保鮮、輻照育種、探傷以及放射醫(yī)療。④中子束的應(yīng)用，除利用中子衍射分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)外，還用于輻照、摻雜、測(cè)井、探礦及生物效應(yīng)，如治癌。⑤離子束的應(yīng)用，大量的加速器是為了提供離子束而設(shè)計(jì)的，離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體物理和制備半導(dǎo)體器件的重要手段，離子束則是無損、快速、痕量分析的主要手段，特別是質(zhì)子微米束對(duì)表面進(jìn)行掃描分析，對(duì)元素含量的探測(cè)極限可達(dá)1×10-15~1×10-18克，是其他方法難以比擬的。

在原子核物理學(xué)誕生、壯大和鞏固過程中，核技術(shù)的應(yīng)用使核物理基礎(chǔ)的研究獲得廣泛的支持，后者又為前者不斷開辟新的途徑。這兩方面的需要推進(jìn)了粒子加速技術(shù)和核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展;而這兩門技術(shù)的新發(fā)展，又有力地促進(jìn)了核物理的基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究。這種相互推動(dòng)、共同發(fā)展的趨勢(shì)，將在核物理的新階段中發(fā)揮日益巨大的作用。

核物理學(xué)的另一個(gè)目標(biāo)就是利用粒子反沖技術(shù)造福人類，若成功研制小型加速器，人類將步入一個(gè)嶄新的社會(huì)階段(可以實(shí)行共產(chǎn)主義制度，按需分配)。