原子核物理学

中华人民共和国建立以前，尽管有不少中国物理学工作者在国外从事原子核物理学的研究工作，取得了许多有价值的成果，对原子核物理学的发展做出了出色的贡献。但是在国内，由于当时的社会条件，无法形成国内的研究队伍，只有少数人在极端艰难的条件下，利用少量放射源开展了一些零星的研究课题。新中国成立后，由于国家领导人的重视，老一辈物

理学家吴有训、钱三强、赵忠尧、王淦昌、彭桓武、何泽慧等人的积极努力，于 1950 年在北京成立了中国第一个原子核物理研究机构——近代物理

研究所。从此，中国的原子核物理研究走上了蓬勃发展 391 的道路。

1956～1957 年，在彭桓武领导下，邓稼先与何祚庥、徐建铭、于敏等合作，先后发表了《β衰变的角关联》、《辐射损失对加速器中自由振动的影响》、《轻原子核的变形》等论文；邓稼先推导出氘核光致蜕变的截面及角分布公式，朱洪元探讨了γ跃迁以及内转换的理论等，为中国核物理研究做了开拓性的工作。1960 年，中国决心自力更生制造原子弹，并进行爆炸试验，以打破美、苏等国的核垄断。中国核物理学家参与了原子弹和氢弹以及核武器的研制工作，在这过程中解决了许多理论问题和一系列关键技术问题。

60 年代中期，中国科学院近代物理研究所在杨澄中组织、指导下，开展了有关低能氘-氘、氘-氚反应截面测量等重要实验，给出测量中性化束流所用量热器的基本热力学方程，引入平衡时间、弛豫时间等基本概念；给出用小回旋型质谱计测量工作气体动态纯度的数据处理公式，指导了纯度的测量。在阈能至 14 兆电子伏特■Li（n，d■）a 和■Li（n，t■）a 反应中，杨澄中推导了活化法和球壳法的理论公式，给出了适用于轻同位素的球壳透射实验的理论公式，扩展了球壳透射法的应用范围。70 年代以来，杨澄中主持进行了大量的重离子核反应研究，取得了一批研究成果；对实验结果进行综合分析，肯定了重离子反应中的■Be 转移反应机制和复合核蒸发 a 粒子过程。

在核反应机制研究方面，中国科学院原子能所开展了中间共振、预平衡发射、准自由散射、大角反常散射、三核子转移反应、在束γ谱学和核裂变动力学等研究。孙汉城等在 14～18 兆电子伏中子与■Li、■Li 的三体反应研究中，观察到在低入射能条件下也存在准自由反应现象；随后在氘核、a 粒子与■Li、■Li、■Be、■C 核的反应研究中，孙祖训、孙汉城等肯定了在较低能量下氘和 a 粒子与■Li、■Li、■Be、■C 核作用时，存在准自由散射与准自由反应现象，并对动量分布宽度、结团几率峰位移动及 a-a 离壳效应等问题做了系统研究，在三核子转移反应和大角反常散射研究中，孙祖训等弄清了只用角动量相关势就可同时解释 a 大角反常散射和（a，p）反应；用有限力程微观 DWBA 分析表明，转移中有双中子对角动量耦合为 2 的贡献；在奇 A 核（a，p）反应中，转移角动量往往只取单值，肯定了其作为核谱学工具的价值；用角动量和宇称相关势解释了 a 对

■，■，■Mg 的大角反常散射的同位素效应，将 Regge 极点模型对 lp 壳核的 a 大角反常散射的解释推广到了更轻的核——■Be。姜承烈等在低能氘引起的轻核反应研究中，系统地研究了中间结构现象，对 d+■C、d+■ Mg、■Si 等系统，分别找到了一些新的中间共振，指出 d+■Al、■P、■F 在此区域中间结构对反应贡献很小；并把这些现象与激发能等联系起来，找出了规律性。他们还在（a，p）反应预平衡发射研究中，看到低至 18 兆电子伏的 a 入射情况下，仍有预平衡发射，发现了预平衡发射中存在对效应、奇偶效应，预言还存在壳效应，并看到跃迁矩阵元参数 K 值中也有这些效应。

中子和质子都是费密子，通常称它们为核子。处理多核子组成的原子

核的理论，被称之为核多体理论。吉林大学吴式枢在核多体理论方面进行了系统的研究。核内核子在平均场下的独立运动与由剩余作用引起的核子间的关联是相互依存的一对矛盾。1962～1966 年，吴式枢提出可由一变分法推导出处理核基态关联效应的无规和高阶无规位相近似（RPA-HRPA）方程，并可自然地给出一种使 RPA 和 HRPA 方程具有厄米性的途径；首次应用格林函数方法导出了 HRPA 的久期方程，对它进行了费曼图解分析；还提出了“推广的组态混合法”，给出了用它求解实际问题的途径。由于核力的短程强排斥特性，应用现实核力处理核问题时需要采用 G 矩阵。70 年代，吴式枢提出了一种整体计算无穷 G 矩阵费曼图级数中所含全部 G 矩阵元的偏离能壳性的方法；随后又提出了一种计算单粒传播子重整化的新途径，给出了在重整化Brueckner-Hartree-Fock 理论中对G 矩阵进行自洽处理的方法。与以往同类工作相比，吴式枢等考虑的因素更全面，处理方法更简洁。

格林函数方法是处理量子多体问题的有力工具，吴式枢从格林函数的运动方程出发，提出了一个推导零温和有限温双时格林函数的不可约顶角算符的系统方法，并给出了它的严格表达式。吴式枢等还提出了推导在模型空间的格林函数的等效积分方程方法，并给出了计算等效顶角算符的公式。通过求解格林函数所满足的线性积分方程可自动实现对由不可约顶角算符产生的各级费曼图的求和，而吴式枢还证明了若引进非线性积分方程，由它的迭代解不仅可以自动产生一个由不重复的不可约顶角构成的无穷级数，而且还可以同时求得由该无穷多个不可约顶角产生的各级费曼图之和。吴式枢利用格林函数方法导出了能严格顾及推迟效应的 Bethe- Salpeter（BS）方程的三维约化形式，给出了易于用费曼图规则进行计算的严格表达式，为相对论方程的实际应用提供了一个好的理论框架。在三维相对论性两体波动方程的基础上，吴式枢进一步导出了能同时顾及直接项、交换项以及推迟效应的相对论 RPA 方程以及新的基态能量计算公式。由这些理论框架出发，吴式枢等在核物质的饱和性质、轻核低激发态以及强子结构的研究上都取得了一些有意义的结果。

在中子和质子多体体系的层次上研究核的结构及运动规律是原子核物理学的前沿领域之一，其中一个基本的研究方向是研究原子核在激发能- 角动量相图上不同区域核内的运动规律。70 年代后期以来，中国原子能科学研究院丁大钊及其研究小组在这个方向上取得了一些极有价值的结果。他们在核的低激发、低角动量区用高分辨率 Q3D 磁谱仪测量质子非弹性散射；测量并分析了 22MeV 质子在■Gd 小角区非弹性散射的微分截面，显示了低能质子非弹性散射作为核结构研究的可能性。在核的高激发、低角动量区，丁大钊小组利用全吸收γ谱仪测量了若干核的快中子俘获γ谱，其定量结果可以与前人对重核俘获研究中间接分析的结果相印证，说明矮共振存在的普遍性。利用低能重离子熔合反应可产生高温转动核。在 80 年代中期，国外已发现高温转动核的形状与基态核的形状区别很大，进一步的研究希望了解形变随温度及角动量的演化。丁大钊小组利用γ多重性与GDR 参数的关联分析，观察■Ce 这个天然不存在的缺中子同位素，实验结果表明：随着角动量的增加，变形参数在逐渐减小，明显地看到形状的演化。类似的实验及分析尚在进行中。

70 年代末到 80 年代中期，北京大学杨立铭等开展了关于原子核集体

运动形态与核内新自由度的研究，建立了描述原子核集体运动与低激发态的微观理论。他们还开展了相互作用玻色子模型的微观理论研究，建立了原子核相互作用玻色子模型的微观理论基础。这一系列研究成果具有多方面的特色：直接在费米子空间构成具有玻色子行为的费米子集团，使泡利原理得以严格遵守，避免了伪态的出现；提出了广义的算符化的 Bo■- goliubov 变换，保持了粒子数守恒，避免了假态的出现；在非简并多 j 壳空间，导出了关联对在多体态中的平均场，可自洽地求出这些关联对的结构，用于求任意多集团系的单个集团的平均场；提出了复合粒子母分数系数（f.p.c），由此将关联对混合成正交归一基矢，并定义模型空间；用模型空间中的矩阵元定义具有费米子结构的“玻色子”，显示了它与唯象理论中使用的理想玻色子的区别；将模型空间内的观察量玻色化，使微观理论比唯象理论给出更多的物理内容；微观理论既可玻色化，也可不进行玻色 395

化，因而此理论框架适用于原子核一切低激发集体态。中国原子能科学院陈永寿在原子核高自旋态的研究中，取得了突出的成就。当转动频率增加到一个临界值ω■时，科里奥利力使一对处于高 j 轨道上的核子拆对，发生顺排，总顺排 I■因此突然增加。传统的以观察 I■跃增为基础的方法，在判断顺排核子的属性上常遇到困难。陈永寿等阐述了另一种方法，他们做了系统的推转壳模型（CSM）理论计算研究。结果表明，高自旋态 g 因子

（g=μ/I■，μ为高自旋态磁矩）随转动频率■增加而变化，不仅取决于拆对核子顺排角动量的大小，而且更敏感地依赖于中子顺排与质子顺排的相互竞争。在 g 因子系统研究的基础上，陈永寿等发展了推广的推转模型磁偶极跃迁理论，从而为极高自旋和有限温度核态间磁偶极跃迁的微观描述建立了理论框架。陈永寿等还系统地研究了高 j 转动准粒子轨道的形变驱动效应。他认为，单粒子运动同集体运动的强烈相干，是原子核这类强相互作用微观多体体系的基本特点之一。在 80 年代初，陈永寿等提出了转动顺排高 j 轨道的几何形状的图象，用以说明“单粒子”、“准粒子”和“空穴”轨道的不同的三轴形变驱动效应。

连续γ谱学是新兴的学科，它以高速转动热核为研究对象。在这一领域，陈永寿等针对“连续区核态性质的统计性质”的传统观念，提出了转动核连续γ谱几率谱理论。该理论预言，转动热核γ谱中，在过去认为能量高于 1MeV 后的强度随 E■增加而指数下降的所谓“统计γ尾巴”的地方，实际上存在着高能磁偶极宽峰。不久，这一理论预言被几家实验所证实。高能磁偶极宽峰的发现表明，在高能磁偶极宽峰的形成机制中，转动热核中的壳效应并未消失，且有着重要作用；展示了发射高能磁偶极跃迁γ射线的非统计冷却过程的重要性，打破了认为转动热核退激过程是发射电偶极跃迁统计γ射线的统计冷却过程的旧观念；核子在转动热核中是进行一种有序轨道运动同无序统计运动相竞争的新型运动模式，而不是只做无序统计运动；由于磁偶极宽峰的中心能量同核形变相关，中心能量越高，形变越大，因此，高能磁偶极宽峰可以作为转动热核形变的探针。1986 年，实验上发现了第一例超形变核■Dy。陈永寿等在深入分析超形变形成机制的基础上，及时地提出了最可几超形变核定性判据：满足费米能级处于单粒子能级分布的一个能穴处，并且处于一个高 j 壳层的底部条件的原子核为最可几超形变核。根据这一定性判据，他们得出了有几百个超形变核，

以及它们在元素周期表中的分布的理论结果。这一结果与国际上大规模数值计算结果相一致。他们还进一步提出了超形变核按同位素链形式存在的推论，与迄今实验结果一致。

80 年代后期，北京大学曾谨言等也开展了“高自旋和超形变核态”项目的研究。这一研究从唯象和微观两方面深入研究了高自旋和超形变核态，从 Bohr 哈密顿量出发，导出了新的转动谱公式，远优于流行的 Harris 公式和 Bohr-Mottelson 公式；提出了确定超形变带自旋值的可靠方法，成功地确定了 A～190 区全部和 A～150 区大部分超形变带的自旋值；提出了处理对力和科里奥利力的粒子数守恒方法和组截断概念，克服了 BCS 方法不能处理堵塞效应的缺陷，解决了 30 多年来 BCS 理论的一大难题（即计算出的原子核转动惯量系统地比实验值大 10%～30%）；按照上述方法，再配合唯象分析，搞清楚了“全同带”的物理本质；应用上述方法还证明了在单 j 模型中不存在回弯的振荡现象，否定了 Mottelson 等的一个著名论断。

1988～1991 年，中国科学院理论物理所庆承瑞等完成了“双β衰变与双电荷交换反应的理论机制”研究项目。他们指出 2■-2β衰变与π-核双电荷变换反应（DCX）这两个不同领域的核过程之间存在着内在联系，并严格地证明了双 β 矩阵元和 DCX397 散射振幅之间具有一一对应的关系。这表明它们有相同的机制，但有不同的行为。他们还发展一种计算双β衰变的新方法——算子展开法，论证了在数学上欧拉求和是具有确定意义的，解决了前人在计算中所遇到的困难和问题，改善了实验与理论的符合趋向，并能比较完善地解释低能 DCX（～ 50heV）朝前的激发曲线的“反常”行为。

中国物理学家围绕如何实现受控热核聚变而开展了等离子体物理学的研究，并取得了一些进展。

1958 年，在王承书和孙湘等的带领下，中国科学院物理所和原子能所先后建造了能量为 10■焦耳级的小型直线 Z 收缩及角向收缩装置。用磁探针、高速转镜及光谱分析等手段，观测了等离子体收缩过程，并测量了相应的某些参数。1960 年，原子能所建造了一个小型 Pyrotron 型压缩磁镜装置，得到等离子体温度为 300 万度；并用微波干涉法测量了密度，观察到单极弧现象。

1964 年，王淦昌了解到有关激光研究的进展后，提出了用高功率激光打靶实现惯性约束核聚变的设想。这与前苏联科学家И.Г.巴索夫的类似设想几乎是同时提出的。1969 年 10 月，物理所叶茂福等建成了 10 万焦耳级的角向收缩装置。在此装置上配置了多种诊断系统，包括磁探针、高速转镜、光谱仪、软 X 射线吸收比较测量装置及激光汤姆逊散射装置等。利用上述装置，全面测量了等离子体参数，并观测到了反向捕集磁场，及径向压缩速度，还观测到了 m=2 的槽纹不稳定性。

1974 年，当时在北京物理所工作的霍裕平针对传统磁场设计中杂散场要求过苛的情况，分析了各种类型弱磁场对平衡的影响，并与扭曲模的分析相联系，提出了静态稳定性的概念，为同期出现的托卡马克实验结果所证实。所得结果，大大放宽了大部分磁场系统的设计精度要求。

1979 年以后，物理所蔡诗东等人与美国普林斯顿大学陈骝合作，将回旋动力论方程由低频推广到任意有限频率和相对论情况，为研究非均匀等离子体的性质提供了有力的工具。从 1982 年开始，他们又与美国得克萨斯

大学罗森布鲁斯合作，提出利用高能分量稳定气球模的不稳定性，使托卡马克直接进入第二稳定区的理论概念。1983 年，蔡诗东等又提出将静电与磁约束相结合，将快慢过程相结合的新装置概念。1983 年开始，物理所杨恩泽与合肥等离子体物理所任兆杏等合作，开展了热电子环稳定磁镜等离子体的工作，建立了一个小磁镜并用回旋管产生大功率毫米波形成热电子环，利用多种诊断手段在 HEM 上确认了热电子环的存在，并研究了热电子环对磁扰动的影响，观察到漂移波的存在。

80 年代，清华大学陈熙等对“热等离子体条件下颗粒的传热与阻力规律”进行了系统研究。研究中发现：由于等离子体流中的金属与非金属颗粒上浮电位分布不同，它们的局部热流与局部阻力分布可以有明显的差别。有电离条件下，颗粒传热远高于不考虑电离时的预言结果；但阻力却比不考虑电离的预言结果小。从而揭示了热等离子体条件下颗粒传热与阻力的若干不同于常规传热学和流体力学的新物理现象与规律，这将对热等离子体科学与技术的发展起促进作用。