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1975年诺贝尔物理学奖——原子核理论

1975年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的阿

格·玻尔(AageBohr,1922—)、莫特森(BenR.Mottelson,1926—)

和美国纽约州哥伦比亚大学的雷恩沃特(L.JamesRainwater,1917—

1986),以表彰他们发现了原子核中集体运动和粒子运动之间的关系以

及在此基础上发展了原子核结构的理论。

原子核理论研究的一项重要成果就是建立正确的、能反映原子核内

部运动规律和特性的模型理论。自从发现质子和中子以来,先后提出了

好几种核模型,这些核模型各具特色,从不同侧面反映原子核的某些现

象和某些性质,每种模型都只能解释一定范围内的实验事实。这是因为

原子核内部的运动规律太复杂了,以致于人们还没有办法用现有的概念

和数学来包揽有关原子核的一切属性,何况迄今为止,人们对原子核的

知识还在不断增加,随着人们认识水平的提高,理论概括的范围随之扩

大。由于这项工作在原子核物理学中占有核心地位,因此几十年来不断

把诺贝尔物理学奖授予在这方面有特殊贡献的物理学家。例如,1938年

授予提出气体模型理论的费米,1963年授予维格纳、戈佩特-迈耶和延

森,1975年则授予阿格·玻尔、莫特森和雷恩沃特。

费米的气体模型把核子(中子和质子)看成是几乎没有相互作用的

气体分子,把原子核简化为一个球体,核子在其中运动,遵守泡利不相

容原理。每个核子受其余核子形成的总势场作用,就好像是在一势阱

中。由于核子是费米子,原子核就可看成是费米气体,所以,对核内核

子运动起约束作用的主要因素就是泡利不相容原理。但由于中子和质子

有电荷差异,它们的核势阱的形状和深度都各不相同。

气体模型成功之处,在于它可以证明质子数和中子数相等的原子核

最稳定。这一结论与事实相符。再有,用气体模型计算出的核势阱深度

约为-50MeV,与其它方法得到的结果接近。不过这一模型没有考虑核

子之间的强相互作用,过于简单,难以解释后来发现的许多新事实。

尼尔斯·玻尔和弗伦克尔在1935年提出的液滴模型是根据如下事

实:一是原子核每个核子的平均结合能几乎是一常数,即总结合能正比

于核子数,显示了核力的饱和性;另一是原子核的体积正比于核子数,

即核物质的密度也近似于一常数,显示了原子核的不可压缩性。这些性

质都与液滴相似,所以把原子核看成是带电荷的理想液滴。1936年尼尔

斯·玻尔用这个模型计算核反应截面,由此说明了一些核现象。1939年

尼尔斯·玻尔和惠勒还用液滴模型成功地解释了核裂变。

但是早期的液滴模型没有考虑核子运动,所以不能说明核的自旋等

重要性质。后来加进某些新的自由度,液滴模型又有新的发展。

1949年迈耶和简森提出的壳层模型大大地前进了一步。他们根据自

然界中存在一系列幻数核的事实,即当质子数Z和中子数N分别等于下

列数(称作幻数)之一:2、8、20、28、50、82、126时,原子核特别

稳定。这跟元素的周期性非常相似,因此启发了他们仿照原子的壳层结

构理论提出原子核的壳层模型。壳层模型可以相当好地解释大多数核基

态的自旋和宇称,对核的基态磁矩也可得到与实验大致相符的结果;但

对电四极矩的预计与实验值相差甚大,对核能级之间的跃迁速率的计算

也大大低于实验值,这些不足导致了核的集体模型的诞生。

集体模型也叫综合模型,是1953年由阿格·玻尔和莫特森提出的。

在他们之前,雷恩沃特在1950年就曾指出:具有大的电四极矩的核素,

其核不会是球形的,而是被价核子永久地变形了。因为原子核内大部分

核子都在核心,核心也就占有大部分电荷,因此即使出现小的形变,也

会导致产生相当大的四极矩。在这一思想的基础上,阿格·玻尔和莫特

森提出了集体模型。他们指出,不仅要考虑核子的单个运动,还要考虑

到核子的集体运动。集体模型(综合模型)实际上是对原子核中单粒子

运动和集体运动进行统一描写的一种唯象理论。壳层模型和集体模型各

有成功之处,把两种模型综合起来,可以更全面地解释各种原子核的实

验事实。

阿格·玻尔1922年6月19日出生于丹麦的哥本哈根,他是尼尔斯·玻尔

的第四个儿子,从小就在父亲身边接受了科学世家的熏陶,经常与父亲

以及父亲的朋友共享讨论的乐趣。1940年阿格·玻尔进入哥本哈根大学

学习物理。正好这时他父亲关心的是原子核的结构问题,阿格·玻尔也

经常参与讨论。1946年,阿格·玻尔做硕士论文,选的题目就是他父亲

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