原子核的密度分布

王艳召+张闪+杨庆芬

摘 要 文章简单介绍了原子核密度分布的研究进展情况，这些内容可以作为核物理教学中的补充材料，以开阔学生的视野。

关键词 原子核的密度分布 奇特核 核物理教学

中图分类号：O143 文献标识码：A

原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。那么，核内核子的密度分布有什么特征呢？很多原子、原子核物理教材都对这方面的知识都做了不同程度的介绍。近年来，随着加速器技术及核理论的不断发展，奇特核性质的研究成了核物理领域中备受关注的前沿领域。通常情况下，奇特核指的是远离稳定线的原子核，其具有较大的中质比（即中子数与质子数比值较大）。本文结合近期的科研进展，介绍原子核内核子密度分布的知识。教师可将这些科学前沿作为补充材料引入到核物理教学中，以开阔学生的视野。

图1 56Fe的电荷密度分布

图2 11Li和11B的中子、质子的密度分布

质子带正电荷，电荷分布就是质子的分布。利用高能电子在原子核上的散射或测量原子射线的能量都可以获得电荷分布的知识。图1为56Fe的电荷分布的实验数据。①图中纵坐标表示电荷密度，横坐标表示远离原子核中心的距离。由图1可知，在核中央及其附近电荷密度是一常量，在边界附近逐渐下降。

图3 气泡核34Si的质子密度分布

除了电荷分布外，还要研究核内中子的分布。利用高能质子、€%i介子、中子或离子在原子核上的散射，可以得到核内中子的分布情况。实验研究表明，对于奇特核其中子分布半径要略大于质子分布半径，即存在所谓的“中子皮”，其厚度一般约为0.2fm左右，而对于中质比很大的一些奇特核，可以出现很厚的中子皮，甚至出现“中子晕”。中子晕是指远离核芯外围的中子而形成晕。11Li是人们研究最多的中子晕核，其晕厚达1.7fm左右。②实际上合成和探测晕核的难度很大，实验结论往往与核模型相关，且晕核的定义和标准也不太明确，③所以导致中子皮核和中子晕核的界限很难划分，一般认为中子密度分布尾巴拖得很长的为中子晕核。图2是理论计算得到的11Li和11B（稳定核）的中子、质子的密度分布，④其中实线和虚线分别代表中子（）和质子（）的密度分布，粗线和细线分别表示晕核和稳定核的核子密度分布。由图2可知，11Li的中子密度分布比11B要扩展很多，说明11Li的结构比较松散。截止到目前为止，只有少数核，如6He，11Li（晕中含2个中子）及11Be（晕中含1个中子）等，被真正确认具有中子晕结构，对其它一些核是否存在晕结构尚存在争议。最近有人利用平均场理论还预言了“巨中子晕”核的存在。除中子晕核外，在极端丰质子的一些轻核中还存在质子晕结构。

此外，理论预言在一些奇特核的中心附近核子的密度分布会出现严重压低的现象，这些核被称为“气泡核”。图3给出的是34Si的质子密度分布的情况。⑤目前气泡核的定义也不很明确，并且其存在与否尚未得到实验的证实，但随着新一代放射性束流装置的建造、运行以及核探测技术的进步，其存在之谜最终会被解开。另外，理论研究气泡核的结构对加深核力的理解有着重要的科学意义，也成为了当前核物理领域中非常活跃的研究课题之一。

基金项目：国家自然科学基金委（11305109）和石家庄铁道大学十二五教育科学规划重大课题（110105）

注释

① H. D. Wohlfahrt， O. Schwentker， G. Fricke et al. Systematics of nuclear charge distributions in the mass 60 region from elastic electron scattering and muonic X-ray measurements[J]. Physical Review C，1980.22：264-283.

② Tanihata I， Hamagaki H， Hashimoto et al. Measurements of interaction cross sections and nuclear radii in the light p-shell region[J]. Physical Review Letters，1985.55：2676-2679.

③ 刘祖华，张焕乔.两体晕和三体晕核[J].中国科学G辑，2003.33（3）：206-211.

④ 邢永忠，刘建业，左维等.中子晕核的松散结构在重离子碰撞动量耗散中的作用[J].高能物理与核物理，2005.29：978-982.

⑤ Wang Y Z， Gu J Z， Dong J M et al. Tensor effects on proton sd states in neutron-rich Ca isotopes and bubble structure of exotic nuclei [J]， Physical Review C， 2011， 84， 044333.endprint