一談到原子核物理，有人就會感到害怕，因?yàn)楹芏嗳藭脑雍宋锢硐氲皆訌椀木薮笃茐牧头派湫晕廴?。原子核物理是研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，獲得射線束并將其用于探測、分析的技術(shù)，以及研究同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問題。簡稱核物理。

也有人對原子核物理感到新奇。是啊，物質(zhì)由原子組成，這點(diǎn)誰都知道。可是，誰能拿出一個(gè)原子來看看呢?那小得不能再小的微粒到底是什么樣子的呢?它那神秘莫側(cè)的巨大能量，又是從哪里來的呢?它怎么會有放射性的?原子核都有放射性嗎了……多少年來，就是這些間題吸引了無數(shù)原子核物理學(xué)家。

很早以前，人們把原子當(dāng)作組成物質(zhì)的最小微粒?！霸印边@個(gè)詞的希臘文原意，就是“不可分割的”。直到1911年，人們才認(rèn)識到，原予并不是不可分的，而是由更小的原子核及環(huán)繞原子核運(yùn)動的電子所組成。1932年，又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了原子核是由中子和質(zhì)子組成的。

不同的原子核中，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是不同的。到現(xiàn)在為止，人們在自然界里，已經(jīng)找到了300多種原子核，又用人工方法制造出了1600多種原子核。原子核的大小只占整個(gè)原子體積的萬分之一，而質(zhì)量卻占整個(gè)原子質(zhì)量的99%以上。

這種情況使人們認(rèn)識到，原子的結(jié)構(gòu)是很松的，而原子核的結(jié)構(gòu)卻是很緊的。實(shí)驗(yàn)證明，每1立方厘米原子核，質(zhì)量就達(dá)到1億噸。也就是說，1立方厘米的原子核，要用1萬艘萬噸輪來運(yùn)載!

1、強(qiáng)子物理

強(qiáng)子，包括介子和重子，是能從物質(zhì)中分離出來的、已觀測到的具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最小單元。強(qiáng)子內(nèi)部的夸克–膠子結(jié)構(gòu)以及可能存在的新強(qiáng)子態(tài)是當(dāng)今人類正在探索的物質(zhì)世界的最微觀部分，是中高能原子核物理和粒子物理共同關(guān)心的交叉前沿?zé)狳c(diǎn)。

2、核物質(zhì)性質(zhì)和相圖

得益于現(xiàn)代加速器和探測器技術(shù)的高速發(fā)展，高能原子核物理在過去幾十年取得了巨大的成功。國際社會和政府的持續(xù)高投入，使得大科學(xué)裝置的建設(shè)和連續(xù)運(yùn)行得到保障。

一些重大的前沿學(xué)科問題也正在得到逐步的攻克。然而要徹底搞清楚核物質(zhì)在不同溫度、密度下的性質(zhì)和相圖，仍有一些關(guān)鍵的科學(xué)問題沒有解決，這些問題將成為今后研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

3、核結(jié)構(gòu)和動力學(xué)

當(dāng)今核結(jié)構(gòu)與動力學(xué)的前沿研究主要針對不穩(wěn)定原子核，稱為放射性核束物理或稀有同位素物理等。

自1896年核科學(xué)誕生以后直到20世紀(jì)80年代初，人類研究的原子核(核素)只有幾百個(gè)(其中穩(wěn)定核不到300個(gè))，這些核通常有比較大的結(jié)合能(平均每個(gè)核子若干MeV)，因此可稱為深束縛原子核(或穩(wěn)定原子核)，它們的結(jié)構(gòu)基本上可以通過平均場、殼模型等加以描寫。

自1985年在美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的放射性束實(shí)驗(yàn)開始，人類研究的核素?cái)?shù)目迅速擴(kuò)大，目前實(shí)驗(yàn)上已產(chǎn)生了近3000種，而理論預(yù)言總共有8000～10000個(gè)核素。不穩(wěn)定線原子核的結(jié)合能逐漸減小，直到最后一個(gè)核子結(jié)合能為0的邊界(滴線)。

在滴線區(qū)，原子核成為弱束縛的開放體系，體積可以大大擴(kuò)張，結(jié)構(gòu)形態(tài)和有效相互作用的性質(zhì)發(fā)生顯著變化，傳統(tǒng)核理論的描寫面臨根本性變革。在初期的研究中已有的重大發(fā)現(xiàn)包括：三體力和張量力等在非穩(wěn)定核有效相互作用中的突出作用;幻數(shù)和殼層在非穩(wěn)定核區(qū)發(fā)生系統(tǒng)演變;暈和集團(tuán)等新的結(jié)構(gòu)自由度在滴線區(qū)明顯加強(qiáng);軟巨共振等新的集體運(yùn)動模式;核反應(yīng)中的多步過程和強(qiáng)耦合效應(yīng);同核異能素大量出現(xiàn)，等等。

遠(yuǎn)離穩(wěn)定線核的研究，又與平穩(wěn)和爆發(fā)性天體過程以及核物質(zhì)狀態(tài)方程密切相關(guān)，涉及當(dāng)今國際重要前沿交叉科學(xué)問題。合成超重元素、登上“超重核穩(wěn)定島”，是人類半個(gè)多世紀(jì)以來的夢想。非穩(wěn)定豐中子核的大量產(chǎn)生和深入研究，特別是關(guān)鍵豐中子核的熔合反應(yīng)或大質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制的研究，有可能提供進(jìn)入“超重核穩(wěn)定島”的新途徑，實(shí)現(xiàn)重大突破。

在原子核穩(wěn)定性極限區(qū)域探索新現(xiàn)象、新規(guī)律的基礎(chǔ)研究，必然產(chǎn)生眾多新的核樣本和核數(shù)據(jù)，引起實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)的重大變革和創(chuàng)新，從而有可能在核材料、核能裝置、核探測等方面帶來難以估量的重大應(yīng)用。

4、核天體物理

浩瀚無垠的宇宙中無數(shù)閃閃發(fā)光的恒星都有形成、演化和死亡的過程。由于恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)釋放出來的輻射能量形成向外的壓力抗衡引力收縮，導(dǎo)致恒星流體靜力學(xué)平衡的演化過程非常緩慢。

一顆類似太陽的恒星一旦形成，在大約1010年的時(shí)間內(nèi)不會發(fā)生人們可直接觀測到的顯著變化。這些核反應(yīng)不僅是恒星的能源，也是宇宙中除氫以外所有化學(xué)元素賴以合成的唯一機(jī)制，在原始大爆炸后最初幾分鐘至恒星壽命終結(jié)的宇宙和天體演化過程中起著極為重要的作用。

原子核天體物理是研究微觀世界的原子核物理與宇觀世界的天體物理相融合形成的交叉學(xué)科，主要目標(biāo)是宇宙中元素的合成與核反應(yīng)如何控制恒星的演化和結(jié)局。這個(gè)充滿神秘的交叉學(xué)科一直受到國際物理學(xué)界的高度重視，被列為基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。美國和歐洲的核科學(xué)長程發(fā)展規(guī)劃中均將核天體物理列為核科學(xué)研究的前沿方向之一。

目前對于恒星演化和元素起源復(fù)雜過程的認(rèn)知是原子核物理學(xué)家、天體物理學(xué)家和天文學(xué)家近一個(gè)世紀(jì)密切合作的結(jié)果，至今已有多項(xiàng)成果先后獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。核天體物理雖然取得了顯著進(jìn)展，但關(guān)于元素起源及恒星演化仍存在很多亟待破解的難題。

5、基本相互作用與對稱性

原子核可以作為一個(gè)“實(shí)驗(yàn)室”來精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本對稱性和尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。在原子核物理中的基本相互作用與對稱性研究通常依靠一些特殊的微弱過程和特殊手段，我國過去在這方面的研究開展較少，目前正在逐步加強(qiáng)力量，形成重要的研究方向。例如，在強(qiáng)子物理領(lǐng)域開展核子–核子過程宇稱破壞方面的研究;利用雙β衰變研究中微子質(zhì)量;探測不為0的電偶極矩(EDM)以研究CP破缺等。

在一定的條件下，原子核也會發(fā)生變化:質(zhì)量大的原子核(又稱為重核)會分裂成較小的新原子核;質(zhì)量小的原子核(又稱為輕核)會聚合成質(zhì)量較大的新原子核。前一過程叫做裂變，后一過程叫做聚變。原子核在發(fā)生變化時(shí)，無論是裂變還是聚變，都會放出巨大的能量。以前，人們把這一能量稱為原子能，其實(shí)更科學(xué)一點(diǎn)，應(yīng)該叫“原子核能”才對。

原子核裂變：

原子彈爆炸時(shí)的巨大能量，就是鈾(或其他較重的原子)核在裂變時(shí)放出的。由于裂變能是在短短一瞬間放出的，釋放過程無法控制，所以，這是不可控制的利用裂變能。為了有效地利用裂變能，人們又建造了反應(yīng)堆。

在反應(yīng)堆里，原子核的裂變過程受人控制，連續(xù)不斷而又較為緩慢地進(jìn)行著。這種可控制利用原子能的方式，目前已用在核發(fā)電站、原子能破冰船、核能海水淡化等方面，并將對人類社會生產(chǎn)力的發(fā)展，發(fā)揮更大的作用。

但裂變能的應(yīng)用也有一些缺點(diǎn)，首先是核燃料有限，目前只有鈾和懷等少數(shù)幾種重元素，價(jià)格比較昂貴。其次是放射性污染的處理比較麻煩。

原子核的聚變：

另一種取得原子能的途徑是核的聚變。氫彈就是不可控制的核聚變反應(yīng)。太陽能是太陽上的輕元素(主要是氫)發(fā)生聚變時(shí)產(chǎn)生的能量，使它不斷地放出光和熱。聚變能比裂變能更強(qiáng)大;但是，對聚變能的和平利用比裂變能要困難得多。

我們知道，帶同種電荷的物體之間，存在著斥力，而且距離越近，斥力就越大。原子核是帶正電的，要兩個(gè)原子核“相遇”發(fā)生聚合，就得克服很強(qiáng)的斥力。為了做到這，一點(diǎn)，科學(xué)家們把原子核加熱到幾千萬攝氏度的高溫，再進(jìn)行聚變，所以聚變又叫做熱核反應(yīng)。

熱核反應(yīng)的原料是氘、氚等輕元素，它們都是氫的同位素。而水里含有豐富的氫，每7000個(gè)氫原子中就有1個(gè)氘原子。因此，熱核反應(yīng)的原料比裂變的原料要便宜得多，它可以利用地球上最豐富的資源——海水。

1升海水發(fā)生聚變時(shí)產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于300升汽油燃燒時(shí)釋放的能量?？茖W(xué)家們預(yù)測，到本世紀(jì)末將能實(shí)現(xiàn)可控核聚變。到那時(shí)，人們就有可能獲得取之不盡、用之不竭而又沒有污染的能源了。

原子核技術(shù)的應(yīng)用范圍，已經(jīng)遍及醫(yī)學(xué)、考古、電子工業(yè)、地質(zhì)、天文、生物、化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。這些應(yīng)用差不多都是利用了放射性核所輻射出來的各種射線。

在我們今天所掌握的二千多種原子核中，大多數(shù)都是不穩(wěn)定的，它們會從核內(nèi)部射出一個(gè)或幾個(gè)粒子，轉(zhuǎn)變成另一些原子核。具有這種性質(zhì)的核，就叫做“放射性核素”。

大家熟悉的α射線、β射線、γ射線等，都是由放射性核素輻射出的α粒子、β粒子或γ粒子組成的粒子流。某些核素的放射性粒子，能在肝癌病變處匯集，這些核素就被大夫們當(dāng)成了“肝痛偵察兵”，只要讓病人服下一些特制的藥，然后檢測體內(nèi)這些核素的分布，就可以診斷出肝癌的位置。

放射性核素還可以用來考古，這就是著名的碳14考古時(shí)鐘法。碳14一方面由宇宙線不斷地產(chǎn)生出來，一方面又不斷地衰變掉。所以，在活的生物體內(nèi)的含碳物質(zhì)中，總有一定比例的碳14存在。一旦生物體死亡，體內(nèi)的碳14就不再獲得補(bǔ)充，而只能以每5730年減少一半的速率減少著。因此，從體內(nèi)碳14含量的測定，就可以判明生物體死亡的年代。這種碳14考古時(shí)鐘法，可測范圍是1千年到5萬年。

近年來，電子計(jì)算器、電子手表、電子玩具等等已到處可見，它們的關(guān)鍵元件是一塊硅制成的集成電路。電子元件中的硅的純度必須非常高，它的含碳量不得高于百萬分之一。要檢測出不合要求的硅，并達(dá)到這么高的精確度，就象在100萬只雞蛋中找出1只變質(zhì)的蛋那么困難。怎么能在硅中探測到這微不足道的碳呢?最有效的辦法又是借助原子核技術(shù)。

原子核物理就是專門研究直徑只有一萬億分之一厘米的原子核的奧秘的。但是，取得原子能的科學(xué)基礎(chǔ)至今仍是一個(gè)迷。為什么不帶電的中子和帶正電的質(zhì)子，能如此緊密地結(jié)合在一起?它們結(jié)合緊密的變化，怎么導(dǎo)致原予能的釋放?