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原子核
原子的核心部分
原子核（atomic nucleus）簡稱“核”。位于原子的核心部分，由質(zhì)子和中子兩種微粒構(gòu)成。而質(zhì)子又是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子又是由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成。
簡介
原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分，占了99.96%以上原子的質(zhì)量，與周圍圍繞的電子組成原子。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。而質(zhì)子又是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子是則由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成。原子核極小，它的直徑在10m~10m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一，如果將原子比作地球，那么原子核相當(dāng)于棒球場大小，而核內(nèi)的夸克及電子只相當(dāng)于棒球大小。原子核的密度極大，約為10kg/m3，原子核內(nèi)有核殼層結(jié)構(gòu)，稱為幻核。
構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子之間存在介子，以傳遞原子核內(nèi)巨大的吸引力-強(qiáng)力，強(qiáng)力比電磁力強(qiáng)137倍，故能克服質(zhì)子之間所帶正電荷的電磁斥力而結(jié)合成原子核。原子核的能量極大，當(dāng)原子核發(fā)生裂變(重原子核分裂為兩個(gè)或更多的核)或聚變(輕原子核相遇時(shí)結(jié)合成為重核)時(shí)，會釋放出巨大的原子核能，即原子能(例如核能發(fā)電)。質(zhì)子和中子及介子由價(jià)夸克(組分夸克)及誨夸克(流夸克)組成，夸克亦有層層(殼)結(jié)構(gòu)，外層為橫向連接的價(jià)夸克，內(nèi)層為縱向疊加的誨夸克，而外層為3個(gè)橫向連接的束縛態(tài)價(jià)夸克。價(jià)夸克按比例(2個(gè)上型夸克帯+2/3電荷,1個(gè)下型夸克帯-1/3電荷)分掉質(zhì)子(或3夸克超子)內(nèi)的整數(shù)電荷，故夸克帶分?jǐn)?shù)電荷?？v向疊加的誨夸克正負(fù)電荷相抵=零，原子內(nèi)帶正電荷的質(zhì)子與帶負(fù)電荷的電子數(shù)量相同，故整個(gè)原子呈電中性。
本質(zhì)
相互作用
電荷
盧瑟福實(shí)驗(yàn)
盧瑟福用一束α射線轟擊金屬薄膜，發(fā)現(xiàn)有少部分α粒子大角度改變運(yùn)動(dòng)方向，并在此基礎(chǔ)上提出了行星式原子結(jié)構(gòu)模型：原子中存在一個(gè)帶正電的核心，即原子核。
盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是想證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻成了否定湯姆遜原子模型的有力證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。
為了要考察原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，必須尋找一種能射到原子內(nèi)部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質(zhì)中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖是這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。
在一個(gè)鉛盒里放有少量的放射性元素釙（Po），它發(fā)出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細(xì)的射線射到金箔上。當(dāng)α粒子穿過金箔后，射到熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)個(gè)的閃光點(diǎn)，這些閃光點(diǎn)可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)裝置放在一個(gè)抽成真空的容器內(nèi)，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上移動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
原子是電中性的，核帶有的正電荷等于核外電子的總負(fù)電荷。對原子序數(shù)為Z的原子，核帶正電+Ze。核的電荷數(shù)是一個(gè)嚴(yán)格的整數(shù)，它等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。質(zhì)子帶正電+e，與電子的電量相等。
理論進(jìn)展
研究歷程
核物理研究一開始，就面臨著一個(gè)重要的問題，這就是核子間相互作用的性質(zhì)。人們注意到，大多數(shù)原子核是穩(wěn)定的，而通過對不穩(wěn)定原子核的γ衰變、β衰變和α衰變的研究發(fā)現(xiàn)，原子核的核子之間必然存在著比電磁作用強(qiáng)得多的短程、且具有飽和性的吸引力。此外，大量實(shí)驗(yàn)還證明，質(zhì)子-質(zhì)子、質(zhì)子-中子、中子-中子之間的相互作用，除了電磁力不同外，其它完全相同，這就是核力的電荷無關(guān)性。1935年，湯川秀樹（YukawaHideki 1907～1981）提出，核子間相互作用是通過交換一種沒有質(zhì)量的介子實(shí)現(xiàn)的。1947年，π介子被發(fā)現(xiàn)，其性質(zhì)恰好符合湯川的理論預(yù)言。
介子交換理論認(rèn)為，單個(gè)π介子交換產(chǎn)生核子間的長程吸引作用（≥3×10cm），雙π介子交換產(chǎn)生飽和中程吸引作用[（1～3）×10cm]，而ρ、ω分子交換產(chǎn)生短程排斥作用（<1×10cm），π介子的自旋為零，稱為標(biāo)量介子，ρ、ω介子的自旋為1，稱為矢量介子，它們的靜止質(zhì)量不為零，這確保了核力的短程性，而矢量介子的非標(biāo)量性又保證了核力的自旋相關(guān)性。核力性質(zhì)及核組成成分的研究，為進(jìn)一步揭示原子核的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。
在早期的原子核模型中，較有影響的有玻爾的液滴模型、費(fèi)密氣體模型、巴特勒特和埃爾薩斯的獨(dú)立粒子模型以及邁耶和詹森的獨(dú)立粒子核殼層模型。其中最成功的是獨(dú)立粒子核殼層模型。
在1948～1949年間，邁耶（Mayer，MariaGoeppert1906～1972）通過分析各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重新確定了一組幻數(shù)，即2、8、20、28、50和82。確定這些幻數(shù)的根據(jù)是：
?幻核的電四極矩特別?。?/span>
?裂變產(chǎn)物主要是幻核附近的原子核；
?原子的結(jié)合能在幻核附近發(fā)生突變；
?幻核相對α衰變特別穩(wěn)定；
?β衰變所釋放的能量在幻核附近發(fā)生突變。
原子核
核殼層模型是在大量的關(guān)于核性質(zhì)、核譜以及核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析的基礎(chǔ)上提出的，它對原子核內(nèi)部核子的運(yùn)動(dòng)給出了較清晰的物理圖象。這一模型的核心是平均場思想。它認(rèn)為，就像電子在原子中的平均場中運(yùn)動(dòng)一樣，在原子核內(nèi)，每個(gè)核子也近似地在其它核子的平均場中做獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，因此原子核也應(yīng)具有殼層結(jié)構(gòu)，通常把這一模型稱為獨(dú)立粒子核殼層模型。
平均場的思想使核殼層模型取得了多方面的成功，但是它也具有不可避免的局限性，因?yàn)楹俗又g的相互作用不可能完全由平均場作用代替。除了平均場以外，核子之間還有剩余相互作用。隨著核物理研究的發(fā)展，在50年代以后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，如大的電四極矩、磁矩、電磁躍遷幾率、核激發(fā)能譜的振動(dòng)譜、轉(zhuǎn)動(dòng)譜以及重偶偶核能譜中的能隙等，它們都不能用獨(dú)立粒子的核殼層模型解釋。
1953年，丹麥物理學(xué)家、著名物理學(xué)家N.玻爾之子阿·玻爾（Aage Niels Bohr，1922～）與他的助手莫特森（Ben RoyMottelson，1926～）及雷恩沃特（Leo JamesRainwater，1917～）共同提出了關(guān)于原子核的集體模型。這一模型認(rèn)為，除平均場外，核子間還有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之間關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)是對獨(dú)立粒子運(yùn)動(dòng)的一種補(bǔ)充，其中短程關(guān)聯(lián)引起核子配對。描述這種關(guān)聯(lián)的核子對模型已經(jīng)得到大量的實(shí)驗(yàn)支持。核子間的長程關(guān)聯(lián)將使核變形，并產(chǎn)生集體運(yùn)動(dòng)，原子核轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能譜就是這種集體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而重核的裂變以及重離子的熔合反應(yīng)又是原子核大變形引起的集體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。原子核的集體模型認(rèn)為，每個(gè)核子在核內(nèi)除了相對其它核子運(yùn)動(dòng)外，原子核的整體還發(fā)生振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的核，不僅有自己特定的形狀，還具有不同的能量和角動(dòng)量，這些能量與角動(dòng)量都是分立的，因而形成能級。正因如此，與只適用于球形核的獨(dú)立粒子殼層模型相比，原子核的集體模型有了很大的發(fā)展。用它可以計(jì)算核液滴的各種形狀對應(yīng)的能量和角動(dòng)量。此外，當(dāng)核由高能級向低能級躍遷時(shí)，能量通常還能以γ射線的形式釋放出來，這一特征正與大量處于穩(wěn)定線附近的核行為相符。此外，根據(jù)這一模型，當(dāng)核形狀固定時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，隨著角動(dòng)量加大，核形狀變化，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相應(yīng)改變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)能級變化，因此，這一模型對變形核轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷規(guī)律的研究，已成為研究奇異核的基礎(chǔ)。原子核集體模型解決了獨(dú)立粒子核殼層模型的困難，成功地解決了球形核的振動(dòng)、變形核的轉(zhuǎn)動(dòng)和大四極矩等實(shí)驗(yàn)事實(shí)，為原子核理論的發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn)，為此，阿·玻爾、莫特森與雷恩沃特共同獲得了1975年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
IBM理論
發(fā)展核模型的目的，在于更準(zhǔn)確地描述原子核的各種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以期建立一個(gè)更為完整的核結(jié)構(gòu)理論。由于人們對于核子間的相互作用性質(zhì)、規(guī)律及機(jī)制并不完全清楚，不可能像經(jīng)典物理那樣，通過核子間的相互作用先建立一個(gè)核結(jié)構(gòu)與核動(dòng)力學(xué)理論，只能依靠所建立的模型，對有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的核素或能區(qū)進(jìn)行理論計(jì)算，再與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比較，根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整模型，再通過模型理論，估算沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空缺能區(qū)，發(fā)展實(shí)驗(yàn)技術(shù)，補(bǔ)充空缺數(shù)據(jù)，再與理論估算相比較，如此循環(huán)往復(fù)，推動(dòng)核結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)展，這是一個(gè)艱苦而又漫長的探索過程。截止到70年代初，核結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)展大多在傳統(tǒng)的范圍內(nèi)發(fā)展著。
傳統(tǒng)核結(jié)構(gòu)理論的特點(diǎn)是：
①?zèng)]有考慮核子的自身結(jié)構(gòu)；
②處理核力多為二體作用，把核內(nèi)核子間的作用，等同于自由核子間的相互作用；
③認(rèn)為核物質(zhì)是無限的；
⑤研究對象是通常條件（基態(tài)或低激發(fā)態(tài)、低溫、低壓、常密度等）下的自然核素。
從70年代中到90年代，核物理的研究跳出了傳統(tǒng)范圍，有了巨大的進(jìn)展。首先是實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，各種中、高能加速器、重離子加速器相繼投入運(yùn)行；與此相應(yīng)，探測技術(shù)的發(fā)展不僅擴(kuò)大了可觀測核現(xiàn)象的范圍，也提高了觀測的精度與分析能力；核數(shù)據(jù)處理技術(shù)由手工向計(jì)算機(jī)化的轉(zhuǎn)變，更加速了核理論研究的進(jìn)程。受到粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)發(fā)展的影響，核物理理論也開始從傳統(tǒng)的非相對論量子核動(dòng)力學(xué)（QND）向著相對論量子強(qiáng)子動(dòng)力學(xué)（QHD）和量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）轉(zhuǎn)變。一個(gè)以相對論量子場論、弱電統(tǒng)一理論與量子色動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代核結(jié)構(gòu)理論正在興起。雖然由于粒子物理已成為一門獨(dú)立學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿，但是核物理的研究卻更進(jìn)入了一個(gè)向縱深發(fā)展的嶄新階段。
原子核的集體模型除了平均場外，還計(jì)入了剩余相互作用，因而加大了它的預(yù)言能力。然而，核多體問題在數(shù)學(xué)處理上的難度很大，這給實(shí)際研究造成很大的困難。近十幾年來，有人提出了各種更為簡化的核結(jié)構(gòu)模型，其中主要的有液點(diǎn)模型，它的特點(diǎn)是反映了原子核的整體行為和集體運(yùn)動(dòng)，能較好地說明原子核的整體性，如結(jié)合能公式、裂變、集體振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等。除了液點(diǎn)模型外，還有互作用的玻色子模型（IBM），這一模型也是企圖用簡化方法研究核結(jié)構(gòu)。由于人們除了對核子間的核力作用認(rèn)識不清以外，又由于原子核是由多個(gè)核子統(tǒng)成的多體系統(tǒng)，考慮到每個(gè)核子的3維坐標(biāo)自由度、自旋與同位族自由度，運(yùn)動(dòng)方程已無法求解，加上多體間相互作用就更難上加難。過去的獨(dú)立核殼層模型強(qiáng)調(diào)了獨(dú)立粒子的運(yùn)動(dòng)特性，而原子核集體模型又強(qiáng)調(diào)了核的整體運(yùn)動(dòng)，這兩方面的理論沒能做到很好的結(jié)合。盡管核子的多體行為復(fù)雜，無法從理論計(jì)算入手，實(shí)驗(yàn)觀察卻發(fā)現(xiàn)，原子核這樣一個(gè)復(fù)雜的多費(fèi)密子系統(tǒng)，卻表現(xiàn)出清晰的規(guī)律性與簡單性。這一點(diǎn)啟發(fā)人們，能否先“凍結(jié)”一些自由度，研究核的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，從簡單性入手研究核，這就是互作用玻色子模型的出發(fā)點(diǎn)。
1968年，費(fèi)什巴赫（Feshbach）與他的學(xué)生拉什羅（F. lachllo）在研究雙滿殼輕核時(shí)，把粒子-空穴看成為一個(gè)玻色子，提出了相互作用玻色子概念。1974年，拉什羅把這一概念用于研究中、重偶偶核，他與阿里默（A. Arima）合作，提出了互作用玻色子模型。這一模型認(rèn)為，偶偶核包括雙滿殼的核實(shí)部分與雙滿殼外的偶數(shù)個(gè)價(jià)核子部分。若先把核實(shí)的自由度“凍結(jié)”，把價(jià)核子配成角動(dòng)量為0或2的核子對，即可把費(fèi)密子對處理為玻色子，用玻色子間的相互作用描述偶偶核，可以使問題大大簡化。他們的這一模型在解釋中、重原子核的低能激發(fā)態(tài)上取得了很大的成功?；プ饔貌Ｉ幽Ｐ透鼮槌晒χ幨?，它預(yù)言了原子核在超空間中的對稱性。它指出核轉(zhuǎn)動(dòng)、核振動(dòng)等集體運(yùn)動(dòng)行為是核動(dòng)力學(xué)對稱性的反映。由于對核動(dòng)力學(xué)對稱性的揭示，這一模型雖然比較抽象，卻更為深刻也更為本質(zhì)。在過去，提到對稱性，往往被認(rèn)為是粒子物理學(xué)的研究課題。其實(shí)，核物理也是對稱性極為豐富的研究領(lǐng)域。最早注意到核對稱性的是匈牙利裔美國物理學(xué)家、狄喇克的妻兄維格納（Eugene Paul Wigner，1902～）。維格納畢業(yè)于柏林大學(xué)化學(xué)系，1925年獲得博士學(xué)位，1930年與諾伊曼（JohnvonNeumann，1903～1957）一起被邀請到美國，擔(dān)任普林斯頓大學(xué)數(shù)學(xué)物理教授。1936年，兩人共同創(chuàng)立中子吸收理論，為核能事業(yè)做出重大貢獻(xiàn)。1937年，維格納基于核的自旋、同位旋，引入超多重結(jié)構(gòu)，建立了宇稱守恒定律。由于對原子核基本粒子理論的貢獻(xiàn)，特別是對對稱性基本原理的貢獻(xiàn)，維格納獲得了1963年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。繼維格納，對原子核動(dòng)力學(xué)對稱性進(jìn)行更深入研究的是埃里奧特。1958年，埃里奧特研究了諧振子場的對稱性，建立了玻色子相互作用的SU（3）動(dòng)力學(xué)對稱性理論，這一理論與質(zhì)量數(shù)A在16～24的核理論有很好的符合，但對于A較大的核，由于自旋-軌道耦合，使這種對稱性遭到破壞，而偏離很大。在1974年拉什羅和阿里默提出的互作用玻色子模型中，將角動(dòng)量為0的玻色子稱為s玻色子，角動(dòng)量為2的玻色子稱為d玻色子，s、d玻色子展開一個(gè)6維超空間，系統(tǒng)狀態(tài)的任何一種變化，都可以通過6維空間的么正變換實(shí)現(xiàn)，這種么正變換構(gòu)成U（6）群。原子核的角動(dòng)量守恒即與空間轉(zhuǎn)動(dòng)不變性相聯(lián)系，即s、d系統(tǒng)具有U（6）的對稱性。他們還發(fā)現(xiàn)，s、d玻色子系統(tǒng)存在三個(gè)群鏈，
①U（6）U（5）SO（5）SU（3），簡稱U（5）極限。
②U（6）SU（3）SO（3），簡稱SU（3）極限。
③U（6）SO（6）SO（5）SO（3），簡稱SO（6）極限。
在三個(gè)群鏈情況下，與s、d玻色子相互作用相關(guān)的哈密頓量均有解析解，原子核具有相應(yīng)群的對稱性。在三種極限情況，能量本征值對角動(dòng)量都有確定的依賴關(guān)系，動(dòng)力學(xué)對稱性也依能級次序的表現(xiàn)而不相同?？傊?，這一研究成果揭示了原子核結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)的對稱性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很大程度上的一致，IBM理論取得了很大的成功。
自由度
π介子自由度
在建立互作用玻色子模型的同時(shí)，核結(jié)構(gòu)理論又從核內(nèi)非核子自由度的研究中得到了新的進(jìn)展。以核集體模型為代表的廣義核殼層模型盡管取得了一定的成功，但畢竟還有一定的局限性。首先，這些模型都只是從部分實(shí)驗(yàn)事實(shí)或觀測現(xiàn)象出發(fā)，從某個(gè)側(cè)面用類比方法反映核子系統(tǒng)的機(jī)制。此外，在核反應(yīng)理論中，所引入的可調(diào)參數(shù)又太多?？烧{(diào)參數(shù)越多，說明這個(gè)理論離成熟性與完整性越遠(yuǎn)。再加上現(xiàn)有的各種核模型間缺乏統(tǒng)一的內(nèi)在聯(lián)系，它們不是一個(gè)包容另一個(gè)，而是彼此獨(dú)立，相互間關(guān)聯(lián)甚少。追究起來，存在這些問題的原因是對核多體系統(tǒng)的認(rèn)識有關(guān)。按傳統(tǒng)認(rèn)識，核內(nèi)的核子只是一個(gè)無結(jié)構(gòu)的點(diǎn)，核僅由這些被當(dāng)作為點(diǎn)的核子組成，即原子核只存在有核子自由度，核子之間的作用單純?yōu)閮牲c(diǎn)間的作用。事實(shí)上，早在30年代，有人就預(yù)言了核內(nèi)存在有非核子的自由度。
1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)除了質(zhì)子外，還有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的。然而是什么力把它們緊緊地約束在核中呢？1935年，湯川秀樹發(fā)表了核力的介子場理論，他認(rèn)為π介子是核力的媒介，并參與β衰變，同時(shí)提出了核力場方程及核力的勢。根據(jù)這一理論，質(zhì)子和中子通過交換π介子互相轉(zhuǎn)化。1947年，π介子在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)。由于在核力理論中預(yù)言π介子的存在，湯川秀樹獲得了1949年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
隨著粒子物理學(xué)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在原子核內(nèi)，除了傳統(tǒng)的質(zhì)子、中子自由度以外，還有更多的自由度，它們包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各種核子的共振態(tài)Δ、σ粒子自由度、核內(nèi)夸克自由度和核內(nèi)色激發(fā)自由度等，情況遠(yuǎn)比人們對核的傳統(tǒng)認(rèn)識復(fù)雜。對這些自由度的研究極大地豐富了原子核物理學(xué)的基本內(nèi)容。
多年來，人們一直在尋求著核內(nèi)存在π介子的直接或間接的實(shí)驗(yàn)證明。一個(gè)主要的困難是得知核內(nèi)存在π介子，需要波長極短的入射粒子束。為避免強(qiáng)相互作用帶來更多的不確定性，人們選用了入射光子的方法。有兩個(gè)有名的實(shí)驗(yàn)給出了核內(nèi)存在π介子自由度的證明。其一是氘核的光分裂實(shí)驗(yàn)，人們用兩種方法計(jì)算了氘核光分裂γ+D→n+p過程的反應(yīng)截面。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在入射光子能量Er≤50MeV情況下，認(rèn)為核只具有純核子自由度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合，偏差只有10%左右；然而當(dāng)Er>50MeV時(shí)，純核子自由度的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏離明顯地加大，只有考慮了π介子自由度以后，才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這一實(shí)驗(yàn)不僅證明了核內(nèi)π介子的存在，而且還說明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表現(xiàn)出來。另一個(gè)證明π介子自由度的是利用電子散射對He形狀因子的研究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電子與核的動(dòng)量轉(zhuǎn)移過程中，越接近核中心區(qū)域，動(dòng)量交換值越大，核中心區(qū)域是高動(dòng)量轉(zhuǎn)移區(qū)，核的邊緣為低動(dòng)量轉(zhuǎn)移區(qū)，而只有在低動(dòng)量轉(zhuǎn)移區(qū)，純核子自由度理論才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，在高動(dòng)量轉(zhuǎn)移的中心區(qū)，必須計(jì)入π介子及Δ自由度的影響，才能與實(shí)驗(yàn)符合。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅證明了核內(nèi)π介子自由度的存在，而且進(jìn)一步指出，在原子核的中心區(qū)域，非核子自由度問題的重要性更為突出。
夸克自由度
從40年代末到50年代初，隨著世界上各大型加速器的投入運(yùn)行，粒子物理逐漸從核物理中分化了出來。上世紀(jì)60年代以后，粒子物理取得了一系列令人矚目的進(jìn)展。例如，在70年代初，格拉肖、薩拉姆和溫伯格將弱、電相互作用統(tǒng)一在SU（2）×U（1）對稱群的規(guī)范理論之中，并從多方面得到了實(shí)驗(yàn)上的直接和間接的證實(shí)。粒子物理的另一個(gè)著名成就是夸克模型和量子色動(dòng)力學(xué)的建立。根據(jù)微觀世界中的對稱性，不僅可以對強(qiáng)子進(jìn)行分類，而且還對強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識提供了有效的途徑。低能強(qiáng)子按SU（3）對稱群分類，這些強(qiáng)子的基本構(gòu)件，也是SU（3）對稱群的基礎(chǔ)就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克。為使強(qiáng)子滿足自然界普遍遵守的自旋與統(tǒng)計(jì)性關(guān)系，每種夸克還有3種不同的色，色相互作用是強(qiáng)相互作用的起源，而傳遞色相互作用的8個(gè)媒介子就稱為膠子。實(shí)質(zhì)上，強(qiáng)相互作用理論即為SU（3）色對稱群的規(guī)范理論，稱為量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）。根據(jù)夸克模型，原子核的核子應(yīng)由3個(gè)價(jià)夸克以及稱為?？淇说奶摽淇?反夸克對膠子組成，而傳遞核子相互作用的介子應(yīng)由價(jià)夸克、價(jià)反夸克和?？淇?、膠子組成。這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新觀點(diǎn)啟發(fā)人們思索，核內(nèi)的核子處于核的“環(huán)境”之中，它們到底與自由核子有什么區(qū)別？核“環(huán)境”對核子有什么影響？核內(nèi)的夸克和膠子的分布如何？它們都參與什么作用？……這一系列問題都將與核內(nèi)夸克自由度等的非核子自由度有關(guān)，這些問題已成為當(dāng)今核物理發(fā)展的關(guān)鍵。
還不能嚴(yán)格地用量子色動(dòng)力學(xué)描述原子核這樣的多夸克系統(tǒng)，考慮到可能存在夸克自由度，有人提出了一個(gè)更為大膽的簡化核模型。這一模型從夸克和它們之間的相互作用力出發(fā)，采用類似傳統(tǒng)的獨(dú)立粒子殼層模型的方法來解釋原子核的各種性質(zhì)。在考慮夸克間相互作用時(shí)，這一模型假定存在有“對力”，而不考慮夸克的禁閉性質(zhì)。根據(jù)這一模型，夸克的色自由度使每個(gè)殼層上容許的夸克數(shù)恰好與傳統(tǒng)殼層模型每個(gè)殼層上的核子數(shù)相同，這使人們想到，在原子核內(nèi)的夸克存在有自由度，它們可能不像在自由核子中那樣禁閉，那么原子核內(nèi)的夸克究竟有多大的幾率跑出核內(nèi)的核子之外？原子核內(nèi)的夸克自由度能否表現(xiàn)出來？在對這些關(guān)鍵問題的研究中，核物理與粒子物理兩大學(xué)科又重新走到一起，而趨于匯合之中。
EMC效應(yīng)
傳統(tǒng)的原子核的質(zhì)子-中子模型在描述低能核現(xiàn)象時(shí)都十分成功，這表明，要發(fā)現(xiàn)核內(nèi)的夸克效應(yīng)或其它非核子自由度應(yīng)該到高能核現(xiàn)象中去尋找。此外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，原子核是由若干核子、介子組合的集合系統(tǒng)，而核子、介子又都是通過膠子相互作用的夸克系統(tǒng)，核子在核內(nèi)不停地運(yùn)動(dòng)，又會由于核子間的重疊形成夸克集團(tuán)，這樣一來，核內(nèi)核子的性質(zhì)，如大小、質(zhì)量等，一定與自由核子不同，例如會稍微膨脹而變“胖”和有效質(zhì)量變小等。此外，禁閉在核內(nèi)核子中的夸克密度分布也會與自由核子的不同。這些都是由于夸克自由度帶來的影響，稱之為夸克效應(yīng)。
尋求核內(nèi)夸克效應(yīng)的最直接和有效的方法就是用“探針”探測。這種“探針”就是能量極高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波長越短，分辨核內(nèi)微小尺度的能力越強(qiáng)。此外，最好采用電子和μ子等非強(qiáng)子作探針，以避免強(qiáng)相互作用干擾，因?yàn)閷?qiáng)相互作用的了解不如電磁相互作用那樣清楚。對于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有人預(yù)計(jì)，當(dāng)用能量高達(dá)幾個(gè)京電子伏的高能輕子打入核內(nèi)時(shí)，它們與核內(nèi)夸克相互作用而散射，通過對散射粒子的能量、動(dòng)量和散射角分布的測量，探知核內(nèi)夸克的動(dòng)量分布，即核子的結(jié)構(gòu)函數(shù)。而另一些人則認(rèn)為，原子核只是一個(gè)質(zhì)子-中子構(gòu)成的弱束縛體系，對于高達(dá)幾個(gè)京電子伏的高能過程，這種弱的束縛不會起什么作用，核的“環(huán)境”影響不能顯示出來，在自由核子靶上以及在原子核內(nèi)核子靶上，測量這種結(jié)構(gòu)常數(shù)不會顯示什么差異。然而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，卻大大出乎后一些人的預(yù)料。
1982年，在歐洲粒子物理研究中心，由來自17個(gè)國家和地區(qū)的89位高能物理學(xué)家，組成了歐洲μ子實(shí)驗(yàn)合作組（EMC組），進(jìn)行了帶電輕子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)。他們使用的高能輕子為電子、μ子和中微子，輕子與核子間傳遞的能量高達(dá)幾個(gè)到幾十個(gè)GeV，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《物理通訊》雜志上。實(shí)驗(yàn)得到了鐵原子核結(jié)構(gòu)函數(shù)與氘核結(jié)構(gòu)函數(shù)的比值，發(fā)現(xiàn)這一比值是夸克動(dòng)量與核子平均動(dòng)量比值x的函數(shù)，當(dāng)x在一定的范圍（布約肯區(qū)）內(nèi)時(shí)，這個(gè)比值為0.05～0.8，且呈一定規(guī)律隨x變化。這個(gè)結(jié)果很重要，因?yàn)槿绻J(rèn)為核內(nèi)的核子仍保持自由核子的性質(zhì)，這個(gè)比值應(yīng)為1，比值偏離1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原子核內(nèi)的核子包含了較多的低能夸克。盡管核子在核內(nèi)的束縛很弱，周圍核物質(zhì)的存在依然明顯地影響到束縛在核內(nèi)夸克的動(dòng)量分布。面對這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，人們不得不改變原來的看法，這一結(jié)果由此得名為“EMC效應(yīng)”。隨后，EMC效應(yīng)陸續(xù)被美國斯坦福直線加速器、德國的電子同步加速器及世界上其它幾個(gè)大加速器的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了世界性的轟動(dòng)，這不是偶然的。它像科學(xué)史上許多其它重要發(fā)現(xiàn)一樣，不是“先驗(yàn)的理論”，而是實(shí)驗(yàn)事實(shí)強(qiáng)迫人們?nèi)ソ邮芤环N新的觀念，這就是原子核內(nèi)核子的亞結(jié)構(gòu)與一般自由核子的亞結(jié)構(gòu)有明顯的不同。這里值得提起一個(gè)反面的例子，如果人們不是被一些“先驗(yàn)的理論”所束縛，本該更提早十幾年發(fā)現(xiàn)EMC效應(yīng)。在70年代初，在斯坦福直線加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）就有一個(gè)用高能電子測量核子結(jié)構(gòu)函數(shù)的研究組。他們以液氫與液氘為靶，得到了核中質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)函數(shù)。因?yàn)橛脕硎⒁簹?、液氘的容器是鋼和鋁的，為消除本底的影響，他們又進(jìn)行了容器的空靶測量，這樣就掌握了鋼和鋁靶的結(jié)構(gòu)函數(shù)，卻不曾想到與自由核子的結(jié)果相比較。EMC效應(yīng)的結(jié)果發(fā)表以后，他們把十幾年前依然保存完好的數(shù)據(jù)重新計(jì)算分析，他們自己戲稱這是“做了一次‘考古學(xué)’的研究”。其結(jié)果確實(shí)充滿戲劇性，兩次研究一前一后時(shí)隔十幾年，對不同的探測粒子、不同能區(qū)做了測量，竟然得出完全一致的結(jié)果。這一事實(shí)不僅再一次令人信服地證實(shí)了EMC效應(yīng)的存在，還使人們冷靜地看到，SLAC小組先于十幾年得到實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)，卻未能成為EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)人，這不能不說明，對于那些已被廣泛接受卻未經(jīng)實(shí)驗(yàn)事實(shí)證實(shí)的“先驗(yàn)理論”，確有必要重新檢驗(yàn)。1988年，EMC組又在極小的布約肯區(qū)（0.003≤x≤0.2）對不同的核（C、Ca、Cu、Fe、Sn）進(jìn)行了測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0≤x<0.1時(shí)，結(jié)構(gòu)函數(shù)比值小于1，有明顯的遮蔽現(xiàn)象；而在0.1≤x≤0.2時(shí)，結(jié)構(gòu)函數(shù)比值大于或等于1，有較弱的反遮蔽現(xiàn)象，而且遮蔽現(xiàn)象隨不同的核而不同。伯格（E. L. Berger）等人對這一現(xiàn)象做出了解釋。他們先從傳統(tǒng)的核子-介子模型出發(fā)，同時(shí)考慮了核子的費(fèi)密運(yùn)動(dòng)修正，認(rèn)為遮蔽現(xiàn)象來源于核子造成的“影子”，即入射粒子“看不到”處于“影子”中的核子。根據(jù)這一解釋，遮蔽現(xiàn)象本應(yīng)該隨著入射高能輕子轉(zhuǎn)移給靶核動(dòng)量的增大而迅速地減小，以至消失，然而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻與這種估計(jì)相反。這表明，EMC效應(yīng)使傳統(tǒng)的核子-介子模型出現(xiàn)了困難，原子核并非簡單的核子的集合，即使引入了核子運(yùn)動(dòng)的費(fèi)密修正，核內(nèi)的夸克分布也與自由核子不同，這就迫使人們不得不考慮夸克自由度的問題。
根據(jù)量子色動(dòng)力學(xué)，夸克的相互作用性質(zhì)與核力、電磁力及引力性質(zhì)完全相反。在強(qiáng)子內(nèi)，夸克間距離很小時(shí)，它們幾乎相互沒有作用，行為像無相互作用的自由粒子，然而隨著夸克間距離的加大，禁閉勢壘急劇增高，夸克像是被禁閉在強(qiáng)子的內(nèi)部。EMC效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們想到，禁閉在核“環(huán)境”中核子內(nèi)的夸克自由度可能比自由核子內(nèi)的夸克自由度大，在核“環(huán)境”中，核子內(nèi)的夸克將有可能以某種幾率跑到核子之外，甚至從一個(gè)束縛核子中“滲透”出來，再進(jìn)入另一個(gè)束縛核子之中，兩個(gè)相互靠得較近的核子會以一定的幾率彼此“融合”，使核子自身膨脹起來，核子會因這種膨脹而變“胖”，隨之有效質(zhì)量減小。核內(nèi)核物質(zhì)密度越大，核子重疊機(jī)會越多，夸克禁閉長度增加就越大，這一效應(yīng)就越明顯。對EMC效應(yīng)的這一解釋先后由卡爾森（E. E. Carlson）及克洛斯（F. E. Close）等人給出，他們的解釋與1988年EMC協(xié)作組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了大部分的一致。
事實(shí)證明，夸克自由度的研究還是很初步的，與問題的最后的圓滿解決仍有相當(dāng)大的距離。隨著研究的深入，問題也不斷地接踵而來。1990年下半年，斯坦福直線加速器研究中心又公布了有關(guān)EMC效應(yīng)的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們用800GeV的高能質(zhì)子轟擊不同的靶核所產(chǎn)生的雙μ子實(shí)驗(yàn)，測定了靶核內(nèi)?？淇嗣芏确植甲兓?。結(jié)果表明，在布約肯變量范圍0.1<x<0.3時(shí)，海夸克密度大致沒有變化，這與EMC效應(yīng)的各種模型理論的預(yù)言都不一致。即使如此，EMC效應(yīng)的意義仍是不言而喻的，它一方面使人們認(rèn)識到，必須從夸克層次對核的組分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的認(rèn)識；另一方面，從核的夸克禁閉性質(zhì)變化討論禁閉的根源又為粒子物理的研究展開了一個(gè)新的天地。它使人們確信，高能核物理以及高能重離子核物理的實(shí)驗(yàn)與理論研究一定能為核中夸克效應(yīng)的研究提供更為豐富的內(nèi)容，夸克、膠子自由度的核效應(yīng)以及夸克、膠子自由度與核子、介子自由度的關(guān)聯(lián)終將會被揭示出來。
形態(tài)探索
簡述
迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定原子核265種，60種天然放射性核，人工合成有2400種核，然而在核素圖上，由中子滴落線、質(zhì)子滴落線及自裂變半衰期大于1μs的限制邊界內(nèi)所包圍的核素應(yīng)有8000余種，這表明有一大半核尚未被人們認(rèn)識。根據(jù)如今的情況，考慮到可能的生成與鑒別方法，估計(jì)還可能被生成或鑒別600種左右的新核素，它們是世界各地有關(guān)實(shí)驗(yàn)室不惜耗費(fèi)重金搜索的目標(biāo)。
然而，隨著遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線，未知新核素的生成截面也越來越小，壽命越來越短，使分離、生成和鑒別的難度越來越大。遠(yuǎn)離穩(wěn)定線原子核研究在核物理學(xué)中占有特殊重要的地位。首先，這些核素具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)，例如它們的中子、質(zhì)子數(shù)之比異常，有的核結(jié)合能極大，有新的衰變方式，如高能β衰變、β延遲粒子發(fā)射、β延遲衰變、表面結(jié)團(tuán)結(jié)構(gòu)、形狀共存以及中子滴落線附近核的反常大半徑等。對這些獨(dú)特現(xiàn)象的研究，有助于檢驗(yàn)和發(fā)展現(xiàn)有的原子核理論。此外，現(xiàn)有的核結(jié)構(gòu)模型，大部分是在β穩(wěn)定線附近幾百種核研究基礎(chǔ)上建立起來的，如液滴模型、獨(dú)立粒子核殼層模型、核集體模型等，它們都有待在遠(yuǎn)β穩(wěn)定線的原子核研究中得到檢驗(yàn)、深化與發(fā)展。隨著新核素的生成與鑒別，以及隨著對它們的衰變性質(zhì)及核結(jié)構(gòu)的研究，會不斷地有新的現(xiàn)象被揭示，人們對核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識也將不斷地深化。此外通過對遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線原子核的研究，還可能找到某些新的同位素和核燃料，為核能與核技術(shù)的應(yīng)用提供新的能源?？傊宋镔|(zhì)新形態(tài)的研究是一個(gè)十分廣闊而又值得探索的新領(lǐng)域，這一領(lǐng)域中的任何新的進(jìn)展都將能推動(dòng)與它有關(guān)的原子物理、天體物理、核化學(xué)以及放射化學(xué)的進(jìn)展。
在核物質(zhì)新形態(tài)探索中，帶有重要影響的有重離子核物理、極端條件下原子核以及夸克-膠子等離子體的研究。
重離子核物理
這是近30年來，在核物理學(xué)研究中一個(gè)十分活躍又是極具有生命力的前沿領(lǐng)域。在本世紀(jì)50年代以前，人們在研究原子核的結(jié)構(gòu)與變化時(shí)，只是利用質(zhì)量小的輕離子，如氦核、氘核、質(zhì)子、中子、電子和γ射線等轟擊原子核，這一研究已取得了多方面的成果。從50年代到60年代中期，隨著加速粒子能力的提高，人們開始使用高能碳、氮、氧核去轟擊原子核，主要進(jìn)行的是彈性散射與少數(shù)核子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。從60到80年代，重離子核反應(yīng)開始逐步成為獲得人工超鍆元素的主要手段。近20年來，大約以每年發(fā)現(xiàn)30～40種新核素的速度發(fā)展著。1982年5月11日，美國勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室（LBL）第一次成功地獲得了地球上天然存在的最重元素鈾的裸原子核，并將其加速到每個(gè)核子147.7MeV的能量，整個(gè)鈾238離子的總能量達(dá)到35GeV。在這個(gè)能量上，離子速度達(dá)到了光速的二分之一。LBL的這一創(chuàng)舉，不僅開創(chuàng)了相對論重離子物理學(xué)，而且使核物理的研究跨入一個(gè)以前無法觸及的新領(lǐng)域，在這個(gè)新領(lǐng)域中，一些激動(dòng)人心的奇特現(xiàn)象引起了物理界的高度重視。LBL得到的高能鈾離子是由一臺稱為貝瓦萊克（Bevalac）的加速裝置獲得的。這臺加速裝置由兩部分組成。一部分是高能質(zhì)子同步加速器，它只能把質(zhì)子加速到10億電子伏，是40多年前建成，如今早已廢棄不用的老加速器，把它配了離子源和注入器，作為第一級加速器使用；另一部分是重離子加速器。通常，重原子的內(nèi)層電子由于強(qiáng)庫侖作用，被緊緊地束縛在原子核外的內(nèi)層，Bevalac先使鈾原子部分電離，形成帶少量正電荷的鈾離子。然后，令其加速，當(dāng)鈾離子的速度超過核外電子的軌道速度時(shí)，使鈾離子穿過某種金屬膜，就會有相當(dāng)多的電子被“剝離”，而形成帶較多正電荷的鈾離子，例如U。再使U繼續(xù)加速，再使其通過聚酯樹脂薄膜，得到U和U的離子混合物，最后再經(jīng)過一層厚的鉭膜，全部電子均被“剝”凈，從而得到了絕大多數(shù)的裸鈾核。
應(yīng)用高能重離子可以研究核裂變的異常行為。在一般的原子核中，庫侖力與核力起著相互制約的作用。若核力較強(qiáng)，原子核比較穩(wěn)定；若庫侖力較強(qiáng)，核就容易裂變。由于中子只參與核力作用，似乎增加中子數(shù)可保持核的穩(wěn)定，然而，核力的力程極短，隨著距離增加，核力急劇下降，使原子有一個(gè)極限尺寸，超過這個(gè)極限，原子核將不能束縛更多的中子。可裂變的鈾核正處于核力與庫侖力相抗衡的狀態(tài)，它們稍微受到接觸就會裂解，之后，庫侖力占優(yōu)勢，使核裂片互相分離。在Bevalac中產(chǎn)生的相對論性高速鈾核就可以用來研究高能下核裂變行為。果然，把高能裸核注入乳膠探測器中，通過對徑跡分析發(fā)現(xiàn)，鈾核與探測器物質(zhì)原子核相撞，出現(xiàn)了一系列奇特現(xiàn)象。例如，在 152個(gè)碰撞事例中，有半數(shù)事例的鈾核分裂成大小相差不多的兩塊，另外半數(shù)事件卻分裂成數(shù)塊，甚至在18%的事例中，鈾核被撞擊粉碎，而且入射能量越高，這種粉碎的事例越多，這類事件是高能核裂變的一種反常行為。
用類氦鈾原子還可以對量子電動(dòng)力學(xué)（QED）進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，原子體系的躍遷能量可以用一個(gè)數(shù)學(xué)式表述，這是一系列冪指數(shù)漸增的連續(xù)項(xiàng)求和式，其中每一項(xiàng)都含有原子序數(shù)和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。過去，在把這個(gè)表述式用于氫和氦等簡單原子時(shí)，由于較高階項(xiàng)帶來的修正在實(shí)驗(yàn)中不易被察覺，常被略去不計(jì)，可是對于類氦鈾原子，這些高價(jià)項(xiàng)卻起著重要作用，在這種情況下，將對 QED的理論進(jìn)行高階次的檢驗(yàn)。在高能重離子實(shí)驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)了一種具有奇特性質(zhì)的“畸形子”，這是一種比通常的核更容易與物質(zhì)發(fā)生作用的原子核或核碎片。當(dāng)它們穿透物質(zhì)時(shí)，在沒有到達(dá)正常深度前，就已經(jīng)與物質(zhì)發(fā)生了作用，所以它們在靶中的運(yùn)動(dòng)深度比正常核碎片淺得多。一些高能重離子實(shí)驗(yàn)表明，大約有3%～5%的核碎片屬于畸形子。有一種說法認(rèn)為，它們可能就是一種“夸克-膠子”等離子體。在這類等離子體中，中子、質(zhì)子已被破壞得失去原來的特性，只剩下一團(tuán)夸克和體現(xiàn)夸克間相互作用力的膠子。
包括LBL，世界上共有4臺高能加速器作為重離子核反應(yīng)的研究基地。到1982年為止，LBL已經(jīng)能加速直到鈾元素的全部重離子；美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）可以把O、S、Au加速到15GeV/N（eV/N為每核子電子伏）；歐洲原子核研究中心（CERN）可以把O、 S加速到60GeV/N；美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室擬在1996年建成的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC），投資4億美元。它建在原本為建造質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)所開掘的隧道里，隧道周長3.8km。它包括兩個(gè)巨大的超導(dǎo)磁環(huán)，最大磁場3.8T，可以使質(zhì)量數(shù)小于或等于200的離子能量達(dá)到100GeV/N。它的一個(gè)重要目的就是研究在高溫、高密條件下，實(shí)現(xiàn)普通核到夸克-膠子等離子體的相變。在今后的20年內(nèi)，相對論重離子物理可望獲得重要進(jìn)展。
重離子研究
相對論重離子物理學(xué)是發(fā)展較快的核物理前沿領(lǐng)域，也是今后若干年內(nèi)核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在極高溫度（達(dá)到10K，即太陽中心溫度的 60000倍）以及極高密度（10倍于正常核物質(zhì)密度）下，核由強(qiáng)子態(tài)向夸克物質(zhì)態(tài)，即夸克-膠子等離子體的相變。這項(xiàng)研究具有極其重要的意義。首先，夸克-膠子等離子體是人們長期以來渴望求到卻又難以得到的一種物質(zhì)形態(tài)?？淇?膠子等離子體與一般的電的等離子體不同，在夸克-膠子等離子體中，夸克在強(qiáng)子外是自由的，而整體上又是色中性的。如果說，上一世紀(jì)給本世紀(jì)留下了兩個(gè)謎，一個(gè)是無絕對的慣性系，一個(gè)是波-粒二象性，這兩個(gè)謎已隨著愛因斯坦的相對論及量子力學(xué)的建成得以解決，那么，本世紀(jì)粒子物理學(xué)的發(fā)展又使另外兩個(gè)更深層次的謎，一是對稱性破缺，一是夸克禁閉呈現(xiàn)了出來。當(dāng)前，描述自然界四種基本作用的理論是，描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)（QCD），描述電-弱相互作用的SU（2）×U（1）的模型理論，描述引力作用的廣義相對論，這些理論的最終統(tǒng)一將使這兩個(gè)謎獲得最終解決，而相對論重離子物理研究又直接與這兩個(gè)謎相關(guān)，正因如此，有人稱這項(xiàng)研究具有“世紀(jì)性的地位”。當(dāng)兩束高能重離子相撞時(shí)，雖然在極短的時(shí)間內(nèi)，離子之間無重子分布，是一種物理真空區(qū)域，但是它卻比一般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激發(fā)態(tài)的理想?yún)^(qū)域。這時(shí)物質(zhì)的有效質(zhì)量為零，手征對稱性得以恢復(fù)。此外，又根據(jù)核的相變理論，在正常溫度TN和正常密度ρN條件下，一般核物質(zhì)處于正常核態(tài)；但當(dāng)密度達(dá)到2ρN時(shí)，可能出現(xiàn)π凝聚，這是核物質(zhì)具有較高秩序的狀態(tài)，類似晶體點(diǎn)陣排列的原子；當(dāng)密度達(dá)到5ρN左右，單個(gè)核子產(chǎn)生許多新的激發(fā)能級，核變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的強(qiáng)子物質(zhì)；若再進(jìn)一步壓縮核物質(zhì)，使密度達(dá)到10ρN左右，核由強(qiáng)子激發(fā)態(tài)繼續(xù)發(fā)生相變，此時(shí)出現(xiàn)解除夸克禁閉，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，夸克與夸克間相互作用粒子組成夸克-膠子等離子體（QGP）。雖然這種理論分析尚有許多不確定因素，卻引起了許多人的興趣。人們一致認(rèn)為，高能重離子反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)這一相變的最有希望的途徑。有人估計(jì)，要實(shí)現(xiàn)普通核的非禁閉相變，核碰撞質(zhì)心能量要達(dá)到100GeV/N。預(yù)計(jì)在1996年建成的美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC）將能滿足這一要求。
(2)格點(diǎn)規(guī)范場理論對相變條件的預(yù)言
為探索夸克-膠子等離子體，首先應(yīng)從理論上估計(jì)核物質(zhì)由強(qiáng)子態(tài)向夸克-等離子體相變發(fā)生的條件。先從核物質(zhì)密度與強(qiáng)子密度之差估算相變所需要的能量。其結(jié)果是，當(dāng)核密度提高到正常態(tài)的4倍時(shí)，相變即可實(shí)施。然而這種方法僅只是一種估算，精確的方法應(yīng)采用格點(diǎn)規(guī)范理論。在強(qiáng)子尺度的小范圍內(nèi)，研究夸克的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，量子色動(dòng)力學(xué)采用了微擾展開的方法，這種微擾法取得了很大的成功。但是在大于強(qiáng)子的尺度上，夸克-膠子的等效相互作用強(qiáng)度并不小，由于交換動(dòng)量的結(jié)果，使夸克-膠子體系產(chǎn)生了各種非微擾量，原來的微擾法不再適用。在強(qiáng)相互作用中，這種非微擾效應(yīng)表多方面。從粒子的質(zhì)量看，質(zhì)子的質(zhì)量恰好是938MeV，Δ粒子的質(zhì)量是1236MeV，π0介子質(zhì)量是135MeV，為什么它們恰好是上述值，這實(shí)際上就是一種由非微擾效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。此外，粒子的壽命、衰變現(xiàn)象、零點(diǎn)波函數(shù)、磁矩、結(jié)構(gòu)函數(shù)甚至真空結(jié)構(gòu)等，也都是夸克-膠子在大距離上的作用效應(yīng)，也屬于非微擾效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果。這些現(xiàn)象與非微擾效應(yīng)的關(guān)系，是粒子物理學(xué)中十分重要而又未被完全開發(fā)的領(lǐng)域。1974年，美國康奈爾大學(xué)的威爾遜（K.G.Welson）提出了格點(diǎn)規(guī)范場理論，用以解釋非微擾現(xiàn)象。其作法是，先設(shè)法在4維時(shí)空中取一系列等間隔的格點(diǎn)，連續(xù)的時(shí)空被一系列離散的格點(diǎn)所代替。他規(guī)定，膠子規(guī)范場只在格點(diǎn)間的鍵上起作用，而夸克費(fèi)窯場則定義在格點(diǎn)上。由上述場量組成的格點(diǎn)作用量具有規(guī)范不變性。當(dāng)格點(diǎn)間的距離趨于零時(shí)，格點(diǎn)作用量趨于原有的量子色動(dòng)力學(xué)作用量，格點(diǎn)規(guī)范理論趨于連續(xù)時(shí)空的規(guī)范理論，與連續(xù)時(shí)空的漸近自由相對應(yīng)。下一步做法是，先在格點(diǎn)體系中計(jì)算各個(gè)物理量，然后再把格點(diǎn)間距趨于零，就可望得到真正的物理量，特別是那些非微擾量了。
事實(shí)上，微觀世界中的微擾量與非微擾量本是人為地劃分出來的。當(dāng)認(rèn)識水平未達(dá)到一定的層次時(shí)，先討論微擾量只是一種對復(fù)雜事物的簡單處理方法。格點(diǎn)規(guī)范場理論的建立表明，人的認(rèn)識水平又向更高層次邁進(jìn)了一步。此外，由于粒子物理與統(tǒng)計(jì)物理的研究對象都是有無窮多自由度的體系，格點(diǎn)微擾理論把它們之間的相似性突出地表現(xiàn)了出來。然而，格點(diǎn)規(guī)范理論的計(jì)算是很復(fù)雜的，因?yàn)槊總€(gè)格點(diǎn)有四個(gè)正方向共四個(gè)鍵，在SU(3)規(guī)范不變條件下，每個(gè)鍵有8個(gè)獨(dú)立變量，每個(gè)格點(diǎn)又有正反夸克場，每個(gè)夸克場有4個(gè)Dirac分量，有三種色，至少有四種味，這樣一來，對于每邊有16個(gè)格點(diǎn)的四維立方體，就有200萬個(gè)獨(dú)立變量。由于系統(tǒng)復(fù)雜，尚不能使用解析方法求解。但是由于理論的規(guī)范不變性，使討論對象具有群積分的性質(zhì)，可以用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算。1981年，帕瑞西等人利用布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室的大型計(jì)算機(jī)，使用抽樣計(jì)數(shù)方法，即蒙特卡羅數(shù)值計(jì)算法，計(jì)算了這些群積分，不僅首次得到了π介子、質(zhì)子、Δ粒子等強(qiáng)子的質(zhì)量，而且還得到了π介子衰變常數(shù)以及標(biāo)志手征對稱性自發(fā)破缺不為零的數(shù)值。以后，又有人用同樣方法計(jì)算出更有意義的結(jié)果，例如證實(shí)了兩個(gè)重夸克之間的位勢隨距離的增加，呈現(xiàn)由庫侖位勢向線性位勢的變化。這一結(jié)果證明了夸克之間距離加大時(shí)，存在有越來越大的作用力，結(jié)果使它們“禁閉”起來（漸近自由）。計(jì)算結(jié)果還顯示，溫度增加到一定程度，即高能粒子互撞時(shí)，夸克的自由能突然加大。這表明，在高能散射中，它們有可能從“禁閉”中被“解放”出來，相變的臨界溫度為200MeV、密度為正常核密度的5倍以上，達(dá)到這一條件相變即有可能發(fā)生，這一結(jié)果確實(shí)給人極大的鼓舞。
實(shí)驗(yàn)嘗試
1986年，歐洲原子核研究中心（CERN）在SPS加速器上首次進(jìn)行了（60GeV～200GeV）/N的氧束流沖擊重靶的實(shí)驗(yàn)，這是一次較為成功的相對論重離子實(shí)驗(yàn)。在這以前所做的有關(guān)實(shí)驗(yàn)，如 CERN的p-p，α-α實(shí)驗(yàn)；費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室的p-p實(shí)驗(yàn)，雖然能量很高，但由于碰撞粒子的質(zhì)量太輕，高能密度聚集的范圍太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶實(shí)驗(yàn)，雖然粒子足夠重，但每個(gè)核子的能量只有1.8GeV，這個(gè)值又太低，使碰撞區(qū)的溫度不夠高。還有的雖然能量足夠高，但實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)性又太差，事例數(shù)太少，都未能獲得成功。
在CERN的這次成功實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了人們所期待的“J/ψ抑制效應(yīng)”，它是QGP存在的跡象之一。根據(jù)理論分析，J/ψ粒子有三種衰變方式，它可能衰變成兩個(gè)電子，e和e；還可能衰變成兩個(gè)μ子，μ和μ；或者衰變成強(qiáng)子。在高能碰撞中，強(qiáng)子也可能產(chǎn)生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子組成，自由的c對存在有束縛態(tài)。當(dāng)有QGP產(chǎn)生時(shí)，由于德拜屏蔽效應(yīng)的存在，會抑制c束縛態(tài)的出現(xiàn)，因而不能組成J/ψ粒子，或者說J/ψ中產(chǎn)生的幾率下降，于是J/ψ中粒子產(chǎn)額抑制現(xiàn)象常被當(dāng)作為QGP出現(xiàn)的信號。
CERN使用的是200GeV/N的S打擊U，所形成的體系可能是發(fā)射π介子和K介子，也可能發(fā)射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰變，通過衰變粒子，如μ和μ，來判斷J/ψ粒子的產(chǎn)額。在碰撞區(qū)形成一團(tuán)火球，邊緣地區(qū)的J/ψ粒子產(chǎn)額竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出現(xiàn)了J/ψ抑制，即有產(chǎn)生QGP的跡象。
另一個(gè)顯示出現(xiàn)QGP跡象的實(shí)驗(yàn)是在美國布魯克海汶國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，這是測定K/π比例的實(shí)驗(yàn)。他們使用了14.5GeV/N的Si束打擊Au靶，觀測K與π產(chǎn)額之比，并與質(zhì)子對撞情況相比較。他們認(rèn)為，如果有QGP產(chǎn)生，π、K和π產(chǎn)額將減少，至多是不變，而K 的產(chǎn)額卻要增加，這樣一來，有QGP時(shí)，K/π產(chǎn)額比值應(yīng)加大。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：Si打擊Au后，K/π產(chǎn)額比值由質(zhì)子對撞時(shí)的0.07上升為0.20，而K/π的比值則與質(zhì)子對撞時(shí)一樣。
重離子對撞實(shí)驗(yàn)是很復(fù)雜的。根據(jù)理論計(jì)算，在現(xiàn)有的條件下，對撞區(qū)的溫度可達(dá)到200MeV左右，這個(gè)溫度在相變臨界溫度附近，所形成的火球的橫向半徑大約有4.3～8.1fm(1fm=10m），徑向半徑約有2.6～5.6fm。一個(gè)碰撞事例往往可以產(chǎn)生500個(gè)以上的次級粒子，處理這樣復(fù)雜的事例以及處理如此大量的特征信號是件極為困難的事，因此，通過上述特征估計(jì) QGP的形成仍只是一種試探。即使如此，由于理論物理學(xué)家已給出相變存在的可能性，也由于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家又較成功地處理了如此復(fù)雜的反應(yīng)事例，還由于相對論重離子碰撞實(shí)驗(yàn)已達(dá)到了理論預(yù)言的能區(qū)，更由于這項(xiàng)研究目標(biāo)所具有的深遠(yuǎn)的意義，這一切都使得夸克-膠子等離子體的研究成為核物理學(xué)前沿的熱點(diǎn)課題之一。
奇異核
所發(fā)現(xiàn)的另一種核物質(zhì)的新形態(tài)是包含其它強(qiáng)子的核多體系統(tǒng)，又稱奇異核，例如Λ超核、Ζ超核以及反質(zhì)子核等。只有Λ超核為實(shí)驗(yàn)所肯定，已開展了一些Λ超核譜學(xué)及生成Λ超核機(jī)制的研究。Λ超核最初是在宇宙射線研究中發(fā)現(xiàn)的。1952年，波蘭物理學(xué)家M.丹尼什和J.普涅夫斯基從暴露在宇宙射線核乳膠中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊的事例。這是一個(gè)高能質(zhì)子擊碎了核乳膠中的銀原子，產(chǎn)生的一個(gè)碎片，再通過發(fā)射帶電π介子和一個(gè)質(zhì)子衰變，碎片衰變的特征與理論上預(yù)料的Λ超子完全相同，因而認(rèn)定這個(gè)碎片就是包含Λ超子的Λ超核。Λ超子是最輕的奇異重子，根據(jù)強(qiáng)相互作用要求，它的奇異數(shù)與重子數(shù)守恒，因而Λ超子在核物質(zhì)中相對強(qiáng)相互作用是穩(wěn)定的，只能產(chǎn)生弱相互作用衰變。Λ超核與Λ超子有幾乎相同的壽命，因而在實(shí)驗(yàn)中可以比較容易地觀察到Λ超核。已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中觀察到幾十種Λ超核以及包含兩個(gè)Λ超子的雙超核，甚至包含若干個(gè)Λ超子的∑超核。超核的發(fā)現(xiàn)，不僅打破了過去原子核只是由中子、質(zhì)子組成的傳統(tǒng)看法，而且通過超核的研究，還進(jìn)一步獲得了有關(guān)核結(jié)構(gòu)與強(qiáng)相互作用的認(rèn)識。超核物理已成為中、高能原子核物理研究的一個(gè)重要分支領(lǐng)域。奇異核伴隨有奇異的現(xiàn)象。首先，與普通核相比，奇異核有著特殊的衰變方式。普通核的衰變類型有：α衰變、β衰變（包括電子俘獲過程）、γ衰變（包括內(nèi)變換過程）和自發(fā)裂變等，奇異核則除了上述方式外，還有一些奇異的衰變方式。例如，奇異核β衰變可釋放很高的能量，經(jīng)β衰變后的末態(tài)核仍處于較高的激發(fā)態(tài)，若這一激發(fā)態(tài)的能量高于其中的核子或核子集團(tuán)的結(jié)合能時(shí)，這個(gè)末態(tài)核仍有可能把多余的能量釋放出來，退激發(fā)而變?yōu)橐环N新的核，稱為子核。這種奇異衰變分為兩個(gè)階段，同時(shí)有三代核素參與，然而由于第一階段的β衰變比第二階段緩慢得多，在實(shí)驗(yàn)觀測時(shí)，僅觀察到第一階段的β半衰期，故常把這種放射性稱為β延遲粒子發(fā)射，或緩發(fā)粒子發(fā)射。其實(shí)，早在1916年盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）和伍德（Robert Williams Wood，1868～1955）在研究212Bi引起的熒光現(xiàn)象時(shí)，就曾發(fā)現(xiàn)大量具有一定能量的α粒子中，混有少量具有較高能量的長射程α粒子，這實(shí)際上就是β衰變緩發(fā)α粒子。雖然他們觀察到這個(gè)現(xiàn)象，卻不明白其成因。直到1930年，伽莫夫（GeorgeGamow，1904～1968）也觀測到了這個(gè)奇特的現(xiàn)象，才對它做出了解釋。伽莫夫認(rèn)為Bi先經(jīng)過β衰變到Po，如果Po處于激發(fā)態(tài)，它再放出帶有該激發(fā)態(tài)能量的α粒子，這部分激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)化為α粒子的動(dòng)能，因而具有較高的能量。如果處于激發(fā)態(tài)的Po先經(jīng)過γ發(fā)射回到基態(tài)，就會發(fā)射低能量的α粒子。Bi就是緩發(fā)α粒子的先驅(qū)核，而末態(tài)核發(fā)射α粒子后變?yōu)?/span>Po，就是緩發(fā)α粒子的子核。盧瑟福、伽莫夫等人所觀測到的β緩發(fā)衰變僅只是一種天然放射現(xiàn)象。
1937年，列維斯第一次人工地產(chǎn)生了β延遲α發(fā)射的先驅(qū)核Li。1939年，羅伯茨又在中子轟擊鈾的實(shí)驗(yàn)中，首次探測到了β延遲的中子發(fā)射。50年代末，卡爾諾克霍夫首次觀測并鑒別出β延遲的質(zhì)子發(fā)射先驅(qū)核。此后，被發(fā)現(xiàn)的先驅(qū)核數(shù)量增加很快。近20多年來，大規(guī)模尋找緩發(fā)粒子的先驅(qū)核，并利用這種奇特的衰變方式研究奇異核的性質(zhì)已成為核物理研究中的一個(gè)重要課題。
近十多年來，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了β延遲衰變后兩個(gè)或三個(gè)核子發(fā)射的奇異衰變方式。1979年9月歐洲原子核研究中心的一個(gè)研究組觀測到了β延遲的二中子發(fā)射，以后又觀測到三中子發(fā)射。1984年，勞侖斯-伯克利實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究組在88英寸的回旋加速器上，觀測到了土Al的β延遲二質(zhì)子發(fā)射現(xiàn)象。接著歐洲原子核研究中心又在線同位素分離器上發(fā)現(xiàn)了Liβ延遲He和H的衰變。在奇異衰變研究中，值得注意的是重離子的奇異放射研究方面的進(jìn)展。1984年，牛津大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象。Ra的α衰變半衰期通常為11.4d，然而在這種衰變中，他們卻發(fā)現(xiàn)了能量在30MeV的C離子。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率很小，大約在10衰變中才有一次，由于他們沒有放過這個(gè)很容易被疏忽的現(xiàn)象，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Ra、Ra和Ra的C衰變；Th、 Pa、U、U和U的Ne衰變以及U的Mg衰變。這一放射性所發(fā)射的實(shí)際上是核子集團(tuán)，從而反映了核內(nèi)核子的組合方式。對這一奇異現(xiàn)象的解釋，以及尋找新的重離子發(fā)射核實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為核物理中活躍的研究領(lǐng)域。除了奇異的衰變方式以外，奇異核還表現(xiàn)出奇異的形變特性。過去，通常把核認(rèn)作為球形，如早期的核液滴模型以及獨(dú)立粒子殼層模型等。1952年阿·玻爾和莫特遜提出了原子核集體模型，利用這一模型計(jì)算核在各種情況下的能量時(shí)發(fā)現(xiàn)，有些核在特定的變形下能量最低，稍微偏離這種變形，能量上升很快，這種核被稱為硬的變形核；有的核在一定的變形范圍內(nèi)，能量的變化不大，被稱為軟的變形核。按照這一模型，除了核子可以在核內(nèi)運(yùn)動(dòng)外，原子核還可以作為整體振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。處于不同狀態(tài)的核，具有不同的能量和角動(dòng)量，并對應(yīng)一定的形狀，這些能量又不是連續(xù)的。通過大量的β穩(wěn)定線附近的核研究，人們已經(jīng)找到了核的能級分布與形狀間的關(guān)系。
當(dāng)核轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果形狀發(fā)生變化，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相應(yīng)改變，就會導(dǎo)致核轉(zhuǎn)動(dòng)能級分布情況變化。這一規(guī)律的研究已成為研究奇異核的基礎(chǔ)。在70年代，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些核可以有不同的形狀，它們對應(yīng)著不同的能級，有一組建立在球形基態(tài)上，能級的間隔較寬；另一組開始的間距較小，后來越來越大，它們對應(yīng)著硬變形核的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。這種不同形狀的狀態(tài)在核中同時(shí)存在的現(xiàn)象，稱為形狀共存現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象的研究，使過去曾被認(rèn)為截然不同的異形核與變形核之間找到了某種聯(lián)系。核的變形程度通常用一個(gè)參數(shù)β描述。β近似等于核長短軸之差與兩軸平均長度之比。典型變形核的β值在0.2～0.25范圍。β在0.35～0.4范圍時(shí)，稱為超變形核。超變形核的第一激發(fā)態(tài)能級往往很低。β值及極低的第一激發(fā)態(tài)成為超變形核的兩個(gè)判據(jù)。早在1981年，摩勒和尼科斯就曾根據(jù)對奇異核研究的結(jié)果從理論上預(yù)言，中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)在38附近的核，屬于自然界中最強(qiáng)變形的核。果然，人們在遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線區(qū)域檢驗(yàn)球殼層模型中發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都接近幻數(shù)40的核，如Kr、Kr核具有非常大的變形。奇異核研究已與重離子核物理相結(jié)合，人們廣泛采用中、高能重離子束，通過彈核破裂的反應(yīng)機(jī)制合成新的奇異核素，并通過核素分離產(chǎn)生的次級奇異核束流研究奇異核反應(yīng)及其性質(zhì)。
歷史
未來發(fā)展
研究超重原子核和超重元素，探索原子核的電荷和質(zhì)量極限，是重要的科學(xué)前沿領(lǐng)域。超重原子核的存在源于量子效應(yīng)。上個(gè)世紀(jì)60年代，理論預(yù)言存在一個(gè)以質(zhì)子數(shù)114和中子數(shù)184為中心的超重穩(wěn)定島，這極大地促進(jìn)了重離子加速器及相關(guān)探測設(shè)備的建造和重離子物理的發(fā)展。到目 前為止，實(shí)驗(yàn)室合成了118號及之前的超重元素。其中116號、114號和113號以下的新元素已被命名。利用重離子熔合反應(yīng)合成更重的超重元素還面臨著很多挑戰(zhàn)，需要理論與實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合，探索超重原子核性質(zhì)與合成機(jī)制，以登上超重穩(wěn)定島。
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