【{‘担保’}】原子核的能级

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[拼音]:yuanzihe de nengji

[英文]:nuclear levels

原子核所处的各种能量状态。它们直接反映核子间的相互作用以及原子核多体系统的运动规律。目前对于核能级的性质已有了一定的理解,特别是对低激发能级的性质已有了较好的理解。

能级的标定

原子核能级的性质决定于核子间的相互作用,后者主要包括强相互作用(即核力)及电磁相互作用。在一个多体系统中,粒子间的相互作用所具有的不变效能为这个多体系统提供了好的量子数。由于核力和电磁力都具有转动不变性及空间反射不变性,所以角动量I和宇称π都是原子核的好量子数(即守恒量量子数),它们是除能量以外标定能级的最基本的量子数。此外,核力还较好地满足同位旋空间转动不变性,但电磁力不具有这种不变性。所以在后者所起的作用不大的情况下,例如在轻核中,同位旋T仍是一个近似的好量子数(见原子核),用它来标定能级是有意义的。

偶偶核能级

偶偶核在能级方面有一些特别简单的规律,例如所有偶偶核的基态自旋宇称Iπ都是0+,除了几个双满壳核4He、16O、

Ca、

Zr、

Pb以外,所有偶偶核的第一激发态自旋宇称都是2+。这个简单规律显然与原子核内部结构及核子间相互作用有关。

能级宽度

除了稳定核的基态外,所有原子核的能级都具有一定的宽度寗 。这是因为它们可以通过强相互作用发射核子、核子集团或其他强子;通过电磁作用发射 γ光子;或通过弱相互作用发射电子和中微子并衰变到较低的态或邻近的核的激发态或基态上。由于能级寿命τ与宽度寗有测不准关系的限制:寗τ≥媡,所以一切不稳定的能级都具有一定的宽度寗。寗的变化范围很大,从几兆电子伏到远小于一个电子伏。一般能量越高,能级越密,宽度越大,以致互相重叠,能级就进入连续区。

能级的激发性质

从原子核的衰变、反应性质和核结构理论可判定某一能级的激发性质。典型的激发有两类:一类是单粒子激发(或单空穴激发),例如在某些奇A核中,奇核子从一个单粒子态跃迁到另一个单粒子态。另一类是集体性质的激发,它是由许多单核子激发的相干叠加而成的激发。

能级的各种激发方式直接反映了原子核结构的特性。理论上的分析可见核壳层模型和综合模型。

当激发能增加,能级的性质就越来越复杂,能级也越来越密。这时一个有意义的物理量是能级密度ρ(E,Iπ),它的物理意义是在激发能 E附近单位能量范围内具有一定Iπ值的能级数。实验上低能中子(E<100keV)的共振反应能提供较精确的能级密度的资料。对于A揥60的原子核利用(p,p)、(p,α)等反应能获得一些有关能级密度的知识。此外,利用中子蒸发谱,设法排除直接核反应所产生的中子,也能获得ρ(E,Iπ)的知识。理论上由于在激发能较高时单粒子自由度佔优势,因此可以利用费密气体模型近似汇出能级密度

式中

,g0是在费密面上的单粒子能级密度,E*=E-u,是等效激发能,这个公式只能用于能级较密的区域。

原子核能级及其分布是个极为复杂的问题,它涉及到核多体系统内部的运动规律及新的自由度的出现。随著能量的升高,不同型别的自由度相继被激发,连续谱同分立谱还可以重叠(如同位旋相似态),此外,核子激发态及其他重子也可以在核内出现,构成新的能级。目前这些方面的知识还是很不成熟的。

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