1911年，欧内斯特·卢瑟福在验证汤普森的梅子布丁模型时发现了原子核。

    原子核（Atomic nucleus）是原子的主要组成部分，位于原子的中央，约占原子99.95％的质量，原子核的密度极大，核密度约为10^14g/cm^3。组成原子核的有不带电的中子和带正电的质子（两种重子由3个夸克组成）。当周围有和其中质子等量的电子围绕时，构成的是原子。原子核极其渺小，如以铀的的原子半径/原子核半径比例是26634，而以氢的的原子半径/原子核半径比例是是60250。但在这极小的原子核里却集中了99.95%原子的质量。

    原子核里有π介子在质子与中子间来回穿梭(传递强核力),中子放出π-介子变为质子后,很快质子又放出π+介子变回中子，原子核里的质子与中子借著π介子来回穿梭,互相转变就是强核力的作用方式（见下图）。

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

  量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

原子核（atomic nucleus）简称“核”。位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子又是由两个下夸克和一个上夸克组成。

原子核极小，它的直径在10-15m~10-14m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一，在这极小的原子核里却集中了99.96%以上原子的质量。原子核的密度极大，核密度约为1017kg/m3，即1m3的体积如装满原子核，其质量将达到1014t，即1百万亿吨。原子核的能量极大，构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力，能克服质子之间所带正电荷的斥力而结合成原子核，使原子在化学反应中原子核不发生分裂。当一些原子核发生裂变（原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时，会释放出巨大的原子核能，即原子能（例如核能发电）。原子核与围绕原子核得电子共同组成原子，因为原子核所带正电荷与电子所带负电荷数量相同，故整个原子不显电性，呈中性。

原子核(atomic nucleus)位于原子的核心部分,占了99.96%以上原子的质量,与周围围绕的电子组成原子。原子核由质子和中子构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是则由两个下夸克和一个上夸克组成。原子核极小,它的直径在10-12至10-13公分之间,体积只占原子体积的几千亿分之一,如果将原子比作地球,那么原子核相当于棒球场大小,而核内的夸克及电子只相当于棒球大小。原子核的密度极大,约为1014克/立方公分。原子核内部结构可由核壳层模型部分描述,当质子或核子分别从各自最低壳层向上填充时，若正好填满某一个壳层，则称为质子或中子幻数，此时的核称为幻核。 [1]

构成原子核的质子和中子之间存在介子,以传递原子核内巨大的吸引力-强力,强力比电磁力强137倍,故能克服质子之间所带正电荷的电磁斥力而结合成原子核。原子核的能量极大,当原子核发生裂变(重原子核分裂为两个或更多的核)或聚变(轻原子核相遇时结合成为重核)时,会释放出巨大的原子核能,即原子能(例如核能发电)。质子和中子及介子由价夸克(组分夸克)及诲夸克(流夸克)组成,夸克亦有层层(壳)结构,外层为横向连接的价夸克,内层为纵向叠加的诲夸克,而外层为3个横向连接的束缚态价夸克。价夸克按比例(2个上型夸克帯+2/3电荷,1个下型夸克帯-1/3电荷)分掉质子(或3夸克超子)内的整数电荷,故夸克带分数电荷。纵向叠加的诲夸克正负电荷相抵=零,原子内带正电荷的质子与带负电荷的电子数量相同,故整个原子呈电中性。 [1]

度改变运动方向，并在此基础上提出了行星式原子结构模型：原子中存在一个带正电的核心，即原子核。

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆逊原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验，如图是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结论

认为，除平均场外，核子间还有剩余的相互作用，剩余作用引起核子之间关联，这种关联是对独立粒子运动的一种补充，其中短程关联引起核子配对。描述这种关联的核子对模型已经得到大量的实验支持。核子间的长程关联将使核变形，并产生集体运动，原子核转动和振动能谱就是这种集体运动的结果，而重核的裂变以及重离子的熔合反应又是原子核大变形引起的集体运动的结果。原子核的集体模型认为，每个核子在核内除了相对其它核子运动外，原子核的整体还发生振动与转动，处于不同运动状态的核，不仅有自己特定的形状，还具有不同的能量和角动量，这些能量与角动量都是分立的，因而形成能级。正因如此，与只适用于球形核的独立粒子壳层模型相比，原子核的集体模型有了很大的发展。用它可以计算核液滴的各种形状对应的能量和角动量。此外，当核由高能级向低能级跃迁时，能量通常还能以γ射线的形式释放出来，这一特征正与大量处于稳定线附近的核行为相符。此外，根据这一模型，当核形状固定时，转动惯量不变，随着角动量加大，核形状变化，转动惯量相应改变，导致转动能级变化，因此，这一模型对变形核转动能级的跃迁规律的研究，已成为研究奇异核的基础。原子核集体模型解决了独立粒子核壳层模型的困难，成功地解决了球形核的振动、变形核的转动和大四极矩等实验事实，为原子核理论的发展作出重要的贡献，为此，阿·玻尔、莫特森与雷恩沃特共同获得了1975年诺贝尔物理学奖。

IBM理论

发展核模型的目的，在于更准确地描述原子核的各种运动形态，以期建立一个更为完整的核结构理论。由于人们对于核子间的相互作用性质、规律及机制并不完全清楚，不可能像经典物理那样，通过核子间的相互作用先建立一个核结构与核动力学理论，只能依靠所建立的模型，对有实验数据的核素或能区进行理论计算，再与实验的结果相比较，根据比较结果，调整模型，再通过模型理论，估算没有实验数据的空缺能区，发展实验技术，补充空缺数据，再与理论估算相比较，如此循环往复，推动核结构理论的进展，这是一个艰苦而又漫长的探索过程。截止到70年代初，核结构理论的进展大多在传统的范围内发展着。

传统核结构理论的特点是：

①没有考虑核子的自身结构；

②处理核力多为二体作用，把核内核子间的作用，等同于自由核子间的相互作用；

③认为核物质是无限的；

④应用的是非相对论的量子力学；

⑤研究对象是通常条件（基态或低激发态、低温、低压、常密度等）下的自然核素。

从70年代中到90年代，核物理的研究跳出了传统范围，有了巨大的进展。首先是实验手段的发展，各种中、高能加速器、重离子加速器相继投入运行；与此相应，探测技术的发展不仅扩大了可观测核现象的范围，也提高了观测的精度与分析能力；核数据处理技术由手工向计算机化的转变，更加速了核理论研究的进程。受到粒子物理学和天体物理学发展的影响，核物理理论也开始从传统的非相对论量子核动力学（QND）向着相对论量子强子动力学（QHD）和量子色动力学（QCD）转变。一个以相对论量子场论、弱电统一理论与量子色动力学为基础的现代核结构理论正在兴起。虽然由于粒子物理已成为一门独立学科，核物理已不再是研究物质结构的最前沿，但是核物理的研究却更进入了一个向纵深发展的崭新阶段。

原子核的集体模型除了平均场外，还计入了剩余相互作用，因而加大了它的预言能力。然而，核多体问题在数学处理上的难度很大，这给实际研究造成很大的困难。近十几年来，有人提出了各种更为简化的核结构模型，其中主要的有液点模型，它的特点是反映了原子核的整体行为和集体运动，能较好地说明原子核的整体性，如结合能公式、裂变、集体振动和转动等。除了液点模型外，还有互作用的玻色子模型（IBM），这一模型也是企图用简化方法研究核结构。由于人们除了对核子间的核力作用认识不清以外，又由于原子核是由多个核子统成的多体系统，考虑到每个核子的3维坐标自由度、自旋与同位族自由度，运动方程已无法求解，加上多体间相互作用就更难上加难。过去的独立核壳层模型强调了独立粒子的运动特性，而原子核集体模型又强调了核的整体运动，这两方面的理论没能做到很好的结合。尽管核子的多体行为复杂，无法从理论计算入手，实验观察却发现，原子核这样一个复杂的多费密子系统，却表现出清晰的规律性与简单性。这一点启发人们，能否先“冻结”一些自由度，研究核的运动与动力学规律，从简单性入手研究核，这就是互作用玻色子模型的出发点。

1968年，费什巴赫（Feshbach）与他的学生拉什罗（F. lachllo）在研究双满壳轻核时，把粒子-空穴看成为一个玻色子，提出了相互作用玻色子概念。1974年，拉什罗把这一概念用于研究中、重偶偶核，他与阿里默（A. Arima）合作，提出了互作用玻色子模型。这一模型认为，偶偶核包括双满壳的核实部分与双满壳外的偶数个价核子部分。若先把核实的自由度“冻结”，把价核子配成角动量为0或2的核子对，即可把费密子对处理为玻色子，用玻色子间的相互作用描述偶偶核，可以使问题大大简化。他们的这一模型在解释中、重原子核的低能激发态上取得了很大的成功。互作用玻色子模型更为成功之处是，它预言了原子核在超空间中的对称性。它指出核转动、核振动等集体运动行为是核动力学对称性的反映。由于对核动力学对称性的揭示，这一模型虽然比较抽象，却更为深刻也更为本质。在过去，提到对称性，往往被认为是粒子物理学的研究课题。其实，核物理也是对称性极为丰富的研究领域。最早注意到核对称性的是匈牙利裔美国物理学家、狄喇克的妻兄维格纳（Eugene Paul Wigner，1902～）。维格纳毕业于柏林大学化学系，1925年获得博士学位，1930年与诺伊曼（JohnvonNeumann，1903～1957）一起被邀请到美国，担任普林斯顿大学数学物理教授。1936年，两人共同创立中子吸收理论，为核能事业做出重大贡献。1937年，维格纳基于核的自旋、同位旋，引入超多重结构，建立了宇称守恒定律。由于对原子核基本粒子理论的贡献，特别是对对称性基本原理的贡献，维格纳获得了1963年诺贝尔物理学奖。继维格纳，对原子核动力学对称性进行更深入研究的是埃里奥特。1958年，埃里奥特研究了谐振子场的对称性，建立了玻色子相互作用的SU（3）动力学对称性理论，这一理论与质量数A在16～24的核理论有很好的符合，但对于A较大的核，由于自旋-轨道耦合，使这种对称性遭到破坏，而偏离很大。在1974年拉什罗和阿里默提出的互作用玻色子模型中，将角动量为0的玻色子称为s玻色子，角动量为2的玻色子称为d玻色子，s、d玻色子展开一个6维超空间，系统状态的任何一种变化，都可以通过6维空间的么正变换实现，这种么正变换构成U（6）群。原子核的角动量守恒即与空间转动不变性相联系，即s、d系统具有U（6）的对称性。他们还发现，s、d玻色子系统存在三个群链，

①U（6）U（5）SO（5）SU（3），简称U（5）极限。

②U（6）SU（3）SO（3），简称SU（3）极限。

③U（6）SO（6）SO（5）SO（3），简称SO（6）极限。

在三个群链情况下，与s、d玻色子相互作用相关的哈密顿量均有解析解，原子核具有相应群的对称性。在三种极限情况，能量本征值对角动量都有确定的依赖关系，动力学对称性也依能级次序的表现而不相同。总之，这一研究成果揭示了原子核结构与动力学的对称性，并与实验结果取得了很大程度上的一致，IBM理论取得了很大的成功。

自由度

编辑

π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同时，核结构理论又从核内非核子自由度的研究中得到了新的进展。以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取得了一定的成功，但毕竟还有一定的局限性。首先，这些模型都只是从部分实验事实或观测现象出发，从某个侧面用类比方法反映核子系统的机制。此外，在核反应理论中，所引入的可调参数又太多。可调参数越多，说明这个理论离成熟性与完整性越远。再加上现有的各种核模型间缺乏统一的内在联系，它们不是一个包容另一个，而是彼此独立，相互间关联甚少。追究起来，存在这些问题的原因是对核多体系统的认识有关。按传统认识，核内的核子只是一个无结构的点，核仅由这些被当作为点的核子组成，即原子核只存在有核子自由度，核子之间的作用单纯为两点间的作用。事实上，早在30年代，有人就预言了核内存在有非核子的自由度。

1932年，查德威克发现了原子核内除了质子外，还有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由质子和中子组成的。然而是什么力把它们紧紧地约束在核中呢？1935年，汤川秀树发表了核力的介子场理论，他认为π介子是核力的媒介，并参与β衰变，同时提出了核力场方程及核力的势。根据这一理论，质子和中子通过交换π介子互相转化。1947年，π介子在宇宙射线中被发现。由于在核力理论中预言π介子的存在，汤川秀树获得了1949年诺贝尔物理学奖。

随着粒子物理学的发展，人们逐渐发现，在原子核内，除了传统的质子、中子自由度以外，还有更多的自由度，它们包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各种核子的共振态Δ、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等，情况远比人们对核的传统认识复杂。对这些自由度的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容。

多年来，人们一直在寻求着核内存在π介子的直接或间接的实验证明。一个主要的困难是得知核内存在π介子，需要波长极短的入射粒子束。为避免强相互作用带来更多的不确定性，人们选用了入射光子的方法。有两个有名的实验给出了核内存在π介子自由度的证明。其一是氘核的光分裂实验，人们用两种方法计算了氘核光分裂γ+D→n+p过程的反应截面。结果发现，在入射光子能量Er≤50MeV情况下，认为核只具有纯核子自由度的计算结果与实验符合，偏差只有10%左右；然而当Er>50MeV时，纯核子自由度的计算与实验结果的偏离明显地加大，只有考虑了π介子自由度以后，才与实验结果一致。这一实验不仅证明了核内π介子的存在，而且还说明了在通常的低能核物理中，分子的自由度不能表现出来。另一个证明π介子自由度的是利用电子散射对3He形状因子的研究实验。实验结果表明，在电子与核的动量转移过程中，越接近核中心区域，动量交换值越大，核中心区域是高动量转移区，核的边缘为低动量转移区，而只有在低动量转移区，纯核子自由度理论才与实验结果符合，在高动量转移的中心区，必须计入π介子及Δ自由度的影响，才能与实验符合。这个实验不仅证明了核内π介子自由度的存在，而且进一步指出，在原子核的中心区域，非核子自由度问题的重要性更为突出。

夸克自由度

从40年代末到50年代初，随着世界上各大型加速器的投入运行，粒子物理逐渐从核物理中分化了出来。上世纪60年代以后，粒子物理取得了一系列令人瞩目的进展。例如，在70年代初，格拉肖、萨拉姆和温伯格将弱、电相互作用统一在SU（2）×U（1）对称群的规范理论之中，并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实。粒子物理的另一个著名成就是夸克模型和量子色动力学的建立。根据微观世界中的对称性，不仅可以对强子进行分类，而且还对强子内部结构的认识提供了有效的途径。低能强子按SU（3）对称群分类，这些强子的基本构件，也是SU（3）对称群的基础就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克。为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系，每种夸克还有3种不同的色，色相互作用是强相互作用的起源，而传递色相互作用的8个媒介子就称为胶子。实质上，强相互作用理论即为SU（3）色对称群的规范理论，称为量子色动力学（QCD）。根据夸克模型，原子核的核子应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-反夸克对胶子组成，而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成。这种物质结构的新观点启发人们思索，核内的核子处于核的“环境”之中，它们到底与自由核子有什么区别？核“环境”对核子有什么影响？核内的夸克和胶子的分布如何？它们都参与什么作用？……这一系列问题都将与核内夸克自由度等的非核子自由度有关，这些问题已成为当今核物理发展的关键。

还不能严格地用量子色动力学描述原子核这样的多夸克系统，考虑到可能存在夸克自由度，有人提出了一个更为大胆的简化核模型。这一模型从夸克和它们之间的相互作用力出发，采用类似传统的独立粒子壳层模型的方法来解释原子核的各种性质。在考虑夸克间相互作用时，这一模型假定存在有“对力”，而不考虑夸克的禁闭性质。根据这一模型，夸克的色自由度使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的核子数相同，这使人们想到，在原子核内的夸克存在有自由度，它们可能不像在自由核子中那样禁闭，那么原子核内的夸克究竟有多大的几率跑出核内的核子之外？原子核内的夸克自由度能否表现出来？在对这些关键问题的研究中，核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起，而趋于汇合之中。

EMC效应

传统的原子核的质子-中子模型在描述低能核现象时都十分成功，这表明，要发现核内的夸克效应或其它非核子自由度应该到高能核现象中去寻找。此外，根据标准模型预言，原子核是由若干核子、介子组合的集合系统，而核子、介子又都是通过胶子相互作用的夸克系统，核子在核内不停地运动，又会由于核子间的重叠形成夸克集团，这样一来，核内核子的性质，如大小、质量等，一定与自由核子不同，例如会稍微膨胀而变“胖”和有效质量变小等。此外，禁闭在核内核子中的夸克密度分布也会与自由核子的不同。这些都是由于夸克自由度带来的影响，称之为夸克效应。

寻求核内夸克效应的最直接和有效的方法就是用“探针”探测。这种“探针”就是能量极高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波长越短，分辨核内微小尺度的能力越强。此外，最好采用电子和μ子等非强子作探针，以避免强相互作用干扰，因为对强相互作用的了解不如电磁相互作用那样清楚。对于实验的结果，有人预计，当用能量高达几个京电子伏的高能轻子打入核内时，它们与核内夸克相互作用而散射，通过对散射粒子的能量、动量和散射角分布的测量，探知核内夸克的动量分布，即核子的结构函数。而另一些人则认为，原子核只是一个质子-中子构成的弱束缚体系，对于高达几个京电子伏的高能过程，这种弱的束缚不会起什么作用，核的“环境”影响不能显示出来，在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上，测量这种结构常数不会显示什么差异。然而实验的结果，却大大出乎后一些人的预料。

1982年，在欧洲粒子物理研究中心，由来自17个国家和地区的89位高能物理学家，组成了欧洲μ子实验合作组（EMC组），进行了带电轻子深度非弹性散射实验。他们使用的高能轻子为电子、μ子和中微子，轻子与核子间传递的能量高达几个到几十个GeV，这一实验结果发表在《物理通讯》杂志上。实验得到了铁原子核结构函数与氘核结构函数的比值，发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值x的函数，当x在一定的范围（布约肯区）内时，这个比值为0.05～0.8，且呈一定规律随x变化。这个结果很重要，因为如果认为核内的核子仍保持自由核子的性质，这个比值应为1，比值偏离1的实验结果表明，原子核内的核子包含了较多的低能夸克。尽管核子在核内的束缚很弱，周围核物质的存在依然明显地影响到束缚在核内夸克的动量分布。面对这一实验事实，人们不得不改变原来的看法，这一结果由此得名为“EMC效应”。随后，EMC效应陆续被美国斯坦福直线加速器、德国的电子同步加速器及世界上其它几个大加速器的实验证实。

---