奇异核

近年来所发现的另一种核物质的新形态是包含其它强子的核多体系统，又称奇异核，例如Λ超核、Ζ超核以及反质子核等。目前只有Λ超核为实验所肯定，已开展了一些Λ超核谱学及生成Λ超核机制的研究。Λ超核最初是在宇宙射线研究中发现的。1952 年，波兰物理学家 M.丹尼什和J.普涅夫斯基从暴露在宇宙射线核乳胶中，发现一个特殊的事例。这是一个高能质子击碎了核乳胶中的银原子，产生的一个碎片，再通过发射带电π介子和一个质子衰变，碎片衰变的特征与理论上预料的Λ超子完全相同，因而认定这个碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最轻的奇异重子，根据强相互作用要求，它的奇异数与重子数守恒，因而Λ超子在核物质中相对强相互作用是稳定的，只能产生弱相互作用衰变。Λ超核与Λ超子有几乎相同的寿命，因而在实验中可以比较容易地观察到Λ超核。到目前为止，已经在实验中观察到几十种Λ超核以及包含两个Λ超子的双超核，甚至包含若干个Λ超子的Σ超核。超核的发现，不仅打破了过去原子

核只是由中子、质子组成的传统看法，而且通过超核的研究，还进一步获得了有关核结构与强相互作用的认识。超核物理已成为中、高能原子核物理研究的一个重要分支领域。奇异核伴随有奇异的现象。首先，与普通核相比，奇异核有着特殊的衰变方式。普通核的衰变类型有：α衰变、β衰变（包括电子俘获过程）、γ衰变（包括内变换过程）和自发裂变等，奇异核则除了上述方式外，还有一些奇异的衰变方式。例如，奇异核β衰变可释放很高的能量，经β衰变后的末态核仍处于较高的激发态，若这一激发态的能量高于其中的核子或核子集团的结合能时，这个末态核仍有可能把多余的能量释放出来，退激发而变为一种新的核，称为子核。这种奇异衰变分为两个阶段，同时有三代核素参与，然而由于第一阶段的β衰变比第二阶段缓慢得多，在实验观测时，仅观察到第一阶段的β半衰期，故常把这种放射性称为β延迟粒子发射，或缓发粒子发射。其实，早在 1916 年 卢 瑟 福 (Rutherford ， Ernest 1871 ～ 1937) 和 伍 德 (Wood ， RobertWilliams1868～1955)在研究 ²¹²Bi 引起的荧光现象时，就曾发现在大量具有一定能量的α粒子中，混有少量具有较高能量的长射程α粒子， 这实际上就是β衰变缓发α粒子。虽然他们观察到这个现象，却不明白其成因。直到 1930 年，伽莫夫(Gamow，George1904～1968)也观测到了这个奇特的现象，才对它做出了解释。伽莫夫认为 ²¹²Bi 先经过β衰变到 ²¹²Po， 如果 ²¹²Po 处于激发态，它再放出带有该激发态能量的α粒子，这部分激发态能量转化为α粒子的动能，因而具有较高的能量。如果处于激发态的²¹²Po 先经过γ发射回到基态，就会发射低能量的α粒子。²¹²Bi 就是缓发α粒子的先驱核，而末态核发射α粒子后变为 ²¹⁸Po，就是缓发α粒子的子核。卢瑟福、伽莫夫等人所观测到的β缓发衰变仅只是一种天然放射现象。

1937 年，列维斯第一次人工地产生了β延迟α发射的先驱核 ⁸Li。1939

年，罗伯茨又在中子轰击铀的实验中，首次探测到了β延迟的中子发射。50 年代末，卡尔诺克霍夫首次观测并鉴别出β延迟的质子发射先驱核。此

后，被发现的先驱核数量增加很快。近 20 多年来，大规模寻找缓发粒子的先驱核，并利用这种奇特的衰变方式研究奇异核的性质已成为核物理研究中的一个重要课题。

近十多年来，由于实验技术的发展，又陆续发现了β延迟衰变后两个或三个核子发射的奇异衰变方式。1979 年 9 月欧洲原子核研究中心的一个研究组观测到了β延迟的二中子发射，以后又观测到三中子发射。1984 年，劳仑斯-伯克利实验室的一个研究组在 88 英寸的回旋加速器上，观测到了土 ²²Al 的β延迟二质子发射现象。接着欧洲原子核研究中心又在线同位素分离器上发现了 ¹¹Liβ延迟 ³He 和 ³H 的衰变。在奇异衰变研究中，值得注意的是重离子的奇异放射研究方面的进展。1984 年，牛津大学的一个研究小组发现了一个奇特的现象。²²³Ra 的α衰变半衰期通常为 11.4 天， 然而在这种衰变中，他们却发现了能量在 30MeV 的 ¹⁴C 离子。这一现象出现的几率很小，大约在 10⁹ 衰变中才有一次，由于他们没有放过这个很容易被疏忽的现象，以后又陆续发现了 ²²²Ra、²²⁴Ra 和 ²²⁶Ra 的 ¹⁴C 衰变；²³⁰Th、 ²³¹Pa、²³²U、²³³U 和 ²³⁴U 的 ²⁴Ne 衰变以及 ²³⁴U 的 ²⁸Mg 衰变。这一放射性所发射的实际上是核子集团，从而反映了核内核子的组合方式。对这一奇异现象的解释，以及寻找新的重离子发射核实验已经成为核物理中活跃的研

究领域。除了奇异的衰变方式以外，奇异核还表现出奇异的形变特性。过去，通常把核认作为球形，如早期的核液滴模型以及独立粒子壳层模型等。1952 年阿·玻尔和莫特逊提出了原子核集体模型，利用这一模型计算核在各种情况下的能量时发现，有些核在特定的变形下能量最低，稍微偏离这种变形，能量上升很快，这种核被称为硬的变形核；有的核在一定的变形范围内，能量的变化不大，被称为软的变形核。按照这一模型，除了核子可以在核内运动外，原子核还可以作为整体振动或转动。处于不同状态的核，具有不同的能量和角动量，并对应一定的形状，这些能量又不是连续的。通过大量的β稳定线附近的核研究，人们已经找到了核的能级分布与形状间的关系。当核转动时，如果形状发生变化，转动惯量相应改变，就会导致核转动能级分布情况变化。这一规律的研究已成为研究奇异核的基础。在 70 年代，实验上已经发现，某些核可以有不同的形状，它们对应着不同的能级，有一组建立在球形基态上，能级的间隔较宽；另一组开始的间距较小，后来越来越大，它们对应着硬变形核的转动和振动。这种不同形状的状态在核中同时存在的现象，称为形状共存现象。对这一现象的研究，使过去曾被认为截然不同的异形核与变形核之间找到了某种联系。核的变形程度通常用一个参数β描述。β近似等于核长短轴之差与两轴平均长度之比。典型变形核的β值在 0.2～0.25 范围。β在 0.35～0.4 范围时， 称为超变形核。超变形核的第一激发态能级往往很低。β值及极低的第一激发态成为超变形核的两个判据。早在 1981 年，摩勒和尼科斯就曾根据对

奇异核研究的结果从理论上预言，中子数和质子数在 38 附近的核，属于自然界中最强变形的核。果然，人们在远离β稳定线区域检验球壳层模型中发现，质子数和中子数都接近幻数 40 的核，如 ⁷⁴Kr、⁷⁶Kr 核具有非常大的变形。目前，奇异核研究已与重离子核物理相结合，人们广泛采用中、高能重离子束，通过弹核破裂的反应机制合成新的奇异核素，并通过核素分离产生的次级奇异核束流研究奇异核反应及其性质。