原子核是一个具有正电荷质子分布的带电体这种带电体

1、学术交流原子核是一个具有正电荷（质子）分布的带电体。这种带电体常以多极状态存在。这样就出现了电四级矩的物理概念，用来反映原子核的形状及其核在电场中的作用。因此原子核的电四级矩理论有重要的意义，但长期以来由于弄不清电四级矩的实体，这个理论实际上停止不前，越来越受到各方面的种种冲击，已使它进入理论危机。现在如何摆脱这一困境已成为当代物理学界特别关注的新问题。当代原子核电四极矩的理论危机和电极矩群子结构实体金日光863科技项目（2002AADF3202）子课题北京化工大学高能粒子理论研究中心一、原子核电四极矩的实体问题人们早就从实验中发现许多原子核具有电四极矩（Q），并且发现，有的原子核Q值>

2、0，有的却<0（见图1）。图1 奇核子的Q值由图可以看出下列几点： n=8，20，28，50，82，126或p=8，20，28，50，82的偶偶核的Q=0。 在上述满壳层上加一个或少一个质子的原子核Q值与单粒子模型的计算结果有些是相当接近的，至少在符号上与实验一致。如（7/2），Q= -0.26×10-24cm2=-0.26b（7/2），Q= 4.0×10-24cm2=+0.40b又如（3/2），Q= -0.062×10-24cm2=-0.062b（9/2），Q= 0.057×10-24cm2=+0.057b但是用原子核单粒子模型只能解释很少数量的

3、实测结果，尤其在两大壳层之间，一些原子核的电四极矩非常之大，比单粒子模型预言的要大20倍以上。这说明单粒子模型基本上不能从定量上解释原子核的性质。为解决这个问题，也有人提出了原子核的集体运动模型，通过变形核的振动模型，变形核的集体转动模型，相互作用玻色子模型来解释了原子核值的异常现象。但是当前原子核物理学理论针对下列问题，无法解释使这个理论深深地陷入到难以自拔的危机中，如：1. 为什么多数具有奇数质子的原子核都具有明显的电四极矩值，且有的正值，有的负值？2. 多数具有偶数质子的原子核Q值很小，几乎忽略不计。但是为什么极个别的偶数质子的原子核也具有相当大的电四极矩值，且有的正值，有的负值？目前尽

4、管有各种理论，解释上述现象依然是一筹莫展。但是作者发现这个问题如同原子核裂变、衰变、磁矩一样同样可以用原子核的群子结构来解释上述现象的内在原因。（参看科学中国人2009年第1期“关于原子核裂变与-及衰变理论中宇称不守恒必然性”论文及第3期“关于原子核磁矩理论的危机与磁矩群子结构实体的发现”）。本文从原子核的群子结构出发，可以分出四极矩亚群子结构（见示意图2c）。从实验上已知电四极矩大小和质子的分布与它们所表现的面积量纲有关（×10-24cm2=×b），所以我们将原子核群子结构分成四个亚群子来示意四级矩的质子分布大小与Q值之间关系。作者已指出，任何原子核的群子结构都可用来表示

5、。作者发现，除了的极个别情形之外，通常在群子结构中，由于的自旋角动量等于1，而其角动量总是大于的自旋角动量1/2，故亚群子较容易排布在扁平方向，并随k值加大使横轴a加大，而亚群子比较容易排布在平行于自旋方向，从而容易拉长纵向c轴长度。这是作者所发现的最重要的普遍现象。此外还有一些其他的具体细则。二、电四极矩实体分布的若干规则（1）凡是奇数质子核的群子结构为，其k为偶数，为奇数，此时都有电四极矩值Q，有的Q>0，有的Q<0；目前原子核物理学，根据一个理论公式推测，当Q值>0时，原子核的形态趋于长型旋转椭球（ca）（见图2a）；当Q值<0时原子核形态扁平旋转椭球(ca)（见

6、图2b），它们都包含4个电极矩。（2）所有原子核的群子结构可根据最佳黄金分割原理分成“四极” （见图2c） ：第一电极矩（0.0183-3）由原子核自旋角动量实体占据，故自旋角动量J与Q值有一定的关系，如自旋角动量越大，平行于C轴的电四极矩越大；而自旋角动量为1/2或0的原子核Q值接近零或零。第二（0.6183-2）和第三（0.6183-1）电极矩主要由提供，使Q值倾向于变小。但是当有些原子核的质量小，且时，致使大体平均分布到二、三、四极上。偶数质子核的群子结构为，其k和均奇数，此时原则上Q值不大，但有的原子核的Q有明显的数值（见后面第七部分）。当原子核质量加大到很大，且时，由于数量大，故足够

7、贡献给自旋角动量实体及第四极，所以在这种情况下，不再单独向第四极提供，而仍然平均分配在第二三电极矩中，促使Q值变小，使原子核趋于变成扁平旋转椭球。当时，群子结构重排成；并且远远超过自旋角动量实体数量时，由于的离心旋转力矩变大，故主要分布到第二、第三极上，使Q值变小，原子核呈现为扁平椭球状态。（3）凡是四个电极矩中所包含的质子数目相近时，Q值趋于零，原子核趋于球型。（4）凡是第二、三电极矩的质子数目为偶数时，变成较紧密的对称结构，使横向a轴缩小，纵向c轴拉长，故原子核的Q值趋于变大，原子核容易变成长轴旋转椭球，即型亚群子则容易沿着长轴方向“爬杆”排列。三、自旋角动量9/2时，Q值与核群子结构关系

8、原子核物理学一直认为原子核的自旋角动量对Q值影响极大。作者发现并不完全如此，有的具有自旋角动量为9/2的原子核，其Q值并不大，个别的则使Q值变负。（具体情况见表1）。11表1 自旋角动量为9/2的原子核群子结构与电四极矩关系当，但是的情形（即由足以提供自旋角动量实体）原子核Q值自旋体的群子结构质子电荷分布0.2明显地使Q值变小，较好地反映了Q为负值。0.34第四极比前一例子变长，故Q值向正的过渡0.82第四极变得更长，Q值也变大0.834第四极变得更长，故使Q值加大，但加大幅度不大。这是因为第二、三极为奇数，对称性差，结构不紧凑，力矩大,Q值变小的趋势，故尽管第四极比前一实例大，但是Q值无法变

9、大。由以上可以看出，随着第四极中质子数量增加，致使Q变大，即随第四极的数量越增加，使Q值越向正值过渡，尤其在自旋量为9/2时，由于第一极中的质子多，更容易使随着增加Q值迅速增加。如从至时Q值由0.21增加到0.836，因此自旋角动量越大，对Q值增加的敏感性越强。（见图3）图3 第四极矩与Q值关系我们发现具有微弱的负值（Q=0.4）。根据群子结构有，其中作为自旋角动量9/2的实体，其余进入到第四电极矩中；分解为第二、三极。（见图4）图4 的电四极矩群子结构示意图由图4可以看出，由于的强力作用，使变弱，以至使整个原子核趋于近似扁平椭球形状。四、自旋角动量为7/2时，Q值与核群子结构关系下面考察自旋

10、角动量为7/2的情形，不再一一画示意图（见表2）。表2 由作为自旋角动量7/2的原子核群子结构与电四极矩关系原子核四矩电荷分布Q值0.680.470.0030.624.3+5.7表2中可以看出，在Ta和Lu的第四极中，的m分别28和26。从其Q值大小看，后者的Q值应比前者大，这是因为28=4×7的高对称使Q值变小。由表2还可以看出，当第二、三、四“极”电荷分布相近时，Q值趋于零，而第二“极”、第三“极”为奇数时，负Q值相对地显大。当第四“极”的电荷分布远远地大于时，Q值急剧上升，如第四极矩的由14增加到28时Q值由-0.68增加到+5.7。（见图5）图5 第四极矩的大小对Q值的影响五

11、、自旋角动量为5/2时，Q值与核群子结构关系下面考察自旋角动量为5/2，其实体为的原子核的情形。（见表3）表3 自旋角动量为5/2的原子核群子结构与电四极矩关系，而k又不很大的情形：原子核Q值自旋体的群子结构质子电荷分布，其中为自旋实体，只有，或接近于平均分布6:6:8或7:7:6。 +0.4 横纵向分布变差不多，使Q值变得小。，其中为自旋实体，因小，不成为一极，故按黄金分割分为两部分横向和纵向，分别各和，或者接近平均分布8:8:10或9:9:8。2 中间奇数结构，纵向的或都促使Q值变大。当时第四极中不再进亚群子。，其中为自旋实体。0.69第四极的质子数与第二、第三极一样，使Q仍为负。四极电荷

12、：横向质子数量远远多于纵向；使Q值变负。其中第四极为4×4对称体，故使Q值更负。，其中为自旋实体。0.53第四极的质子数小于第二、三极，故Q为负。第四极为14，其对称性不如4×4，故Q值的负性差一些。，其中为自旋实体。0.54第四极的质子数与第二、三极一样，故Q为负值。 纵横向质子数目增加，应使Q变大，但二、三、四极都具有高度对称性(3×6)，故Q值大体上与前一例差不多。+1.2第四极变长，故使Q值加大。+2.5第四极变得更长。，其中作为自旋实体，且太大自成一极，促使Q值很大。2.8太长，取长轴型椭球结构，促使Q值变大。由上可知，当第四极的质子数超过第二、第三极时

13、，Q值明显地趋于正值。在下列的实例中更为明显。由于，故分成两个。1.0上下不对称性大，Q值可以变大，但48具有高度对称结构，故Q相对变小。4.9从其中为偶数亚群子结构，对称不如下面的Q值大。15其中第二、三极为3×7结构，故横向电矩变小，有助于Q值的增加，且太大，故原子核取长轴型椭球结构，促使Q值变得非常大。可见，在这种条件下Q值的大小并不完全是由自旋角动量来决定，而更重要的是第四极的大小来决定。六、自旋角动量为3/2时，Q值与核群子结构关系下面考察一下自旋角动量为3/2的三种情形：一是原子核中质子数不多的情形；二是质子数为中等地情形；三是质子数很多的情形（见表4）。表4 自旋角动量

14、为3/2的原子核群子结构与电四极矩关系第一种情形：，不足于自旋角动量实体时，且不大时，大体上平均分布到第二、三、四极上。原子核质子电荷分布Q值0.120.064+0.0616+0.035+0.11+0.8+1.22第二种情形：，相当大时,首先按平均分布到二、三、四极中。原子核质子电荷分布Q值0.1570.145+0.140+0.146+0.28+0.32+0.32+1.58由上表可以看出，的条件下，k按平均分布都反映了当第四极大小差不多时，Q值一般不大。第三种情形：当，只分配到第二、三极原子核质子电荷分布Q值横向质子分布起主导作用，故Q值变负。0.48+1.2第四种情形（），已过大，形成，故主

15、要分配到第二、第三极上，使Q值甚至取负值或正值，而且值不大。对此以往理论是无法解释的。实例1：，由于，故容易形成，其中是中小部分，故可以独立地成为第四极。其示意结构：实例2： 当时，不能成为独立的第四极，将以形式进入第四极，且遵守其大小总是大于第二、第三极的原则。=其示意结构：实例3： 当时，不能成为独立的第四极，将以形式进入第四极，其大小总是大于第二、第三极的原则。其示意结构：实例4： 当时，不能成为独立的第四极，也分配到第四极上，此时同样使第四极大于第二、三极其示意结构：由以上可以看出，当时，除了的中子过多，形成群子的扁平椭球，Q取负值之外，其他原子核均取正值。此时值得注意到的是当自旋量为

16、3/2时，由于自旋实体或在整个原子核中所占的分量小，对Q值的影响都不大，故这一类原子核的Q值都相对地小。本文还考察了自旋量为1/2的情形。从目前原子核物理学理论指出Q值理应0，实验上发现也确实是Q0。但是为什么呢？从上述讨论中可以看出自旋量实体越大，Q值越大；而原子核的自旋量为1/2时，其自旋角动量实体远比其他群子结构的主体小得多，成不了一个完整的极，故具有自旋量为1/2的原子核平均分配于四个极上，使原子核形态都趋于球型，致使Q0，但严格地说Q0，而只有那些自旋角动量完全等于0的原子核才可以使Q0。七、具有偶数质子的原子核电四极矩的情形相当多数的具有偶数个质子的原子核，其电四极矩Q值接近于零。

17、但也有一些异常现象，如有的偶数质子原子核的Q值不等于零，有的正值，有的负值。对此，目前原子核物理学是无法解释的，这是因为偶数个质子容易形成对称分布，故使Q值容易变成零。作者提出的有关原子核的强子结构理论能够圆满地解释上述异常现象。这是因为凡是具有偶数质子奇数中子的原子核群子结构为(pn)奇数k(pn)奇数l；这种奇数结构造成四极中质子分布的不对称，致使Q值0（见表5）。表5 偶数质子的原子核Q值与群子结构关系原子核原子核群子结构Q值自旋体的群子结构质子电荷分布，均为奇数。第二极为，第三极为，第四极取。0.21其中第四极贡献不小故偏平结构为主，Q值变负，其中分成0.004四“极”质子分布结构相近

18、，使Q0。，均为奇数。0.15中间细，相对拉长，故对Q值变正，但数值不大。其中为自旋，余下的不成一极，故平均分布为。1.2 横向奇数结构，纵向大，促使Q值变得很大。，均为奇数。按黄金分割：1.66上下相对拉长，Q值变大当时，但是或时，举下列若干实例：第一实例： ，此时，其中为自旋角动量3/2的实体。这种四极分布为：，其中奇数，而很大，故Q值变得正值。其示意结构：第二实例：，当自旋角动量为时，由于其角动量大，对电四极矩的影响大，且第二、三极比前面Os情形小，故尽管第四极的质子数（30）比Os情形少，但是整个Er原子核的电四极矩Q值变得很大，其示意结构：由此可见，不管Os或Er，当它们中的第四极电荷量远远超过第二、第三极时，Q值明显地