用实验方法研究核结构的目的，就是要通过对核结构实验数据的积累，以及对已有实验数据的系统分析，揭示出某些核结构现象的实验规律，为检验现有的各种理论，以及为提出新的物理思想以改进现有的理论提供实验依据。

高自旋态的研究是当前核结构研究中的前沿和热门领域，目前（2013年），立足于利用国内设备做核结构研究的主要有五家，即中国原子能科学研究院、中科院兰州近物所、中科院上海原子核所、清华大学和吉林大学，五家核结构研究得到国家自然科学重点基金(80万元，1997-2000年)的支持，从2000年开始，兰州近代物理研究所、原子能科学研究院、清华大学、北京大学、吉林大学五家联合承担了一个国家重大基础性研究发展规划项目，五家的研究，各有侧重，互不重复，并各有特色。

核模型，即对核子在原子核内的运动提出的解释和设想。由于核力及核多体问题的复杂性，对原子核的结构还不能做到完全的、精确的理论描述，因而只能根据相当数量的实验事实，归纳出几条解释某些核现象的局部规律。

原子核模型(nuclearmodels)在实验事实的基础上建立的描述核结构的模型。由于至今对于核力还不能作严格而全面的描述，为了说明核结构特性，只能在实验事实的基础上建立有关核结构的唯象的模型，再将由此得出的结果与更多的实验事实作比较，使之完善充实。这种模型的研究方法往往成为新的理论和实验研究的起点。

从20世纪30年代认识核由质子和中子组成后，已经提出多种核结构模型，如费米气体模型、液滴模型、壳层模型、综合模型、超导模型、相互作用玻色子模型等等。这些模型都能解释一定的实验事实，但不能说明另外一些事实，还没有一种结构模型能够统一说明各种事实。综合各种模型可以获得比较全面的原子核结构的图像。比较基本而影响颇大的核结构模型有：

原子核结构液滴模型

①液滴模型。主要的实验事实依据是核的密度为很大的常数，显示核基本上是不可压缩的；原子核的比结合能近乎为常数，核的结合能正比于核子数，表明核力具有饱和性，核子只与邻近的几个核子相互作用。这与宏观的液滴甚为相似。据此，30年代中期N.玻尔等人提出液滴模型，把原子核看成一个带电的不可压缩液滴，根据液滴的经典运动规律对原子核作动力学描述，并适当加入量子效应引起的修正；以后又逐步增加一些新的自由度，如将质子、中子分别看成两类流体，甚至将自旋取向不同也看成不同流体，并引入可压缩性、粘滞性等性质。根据液滴模型可得出准确度相当高的原子核质量半经验公式，在一定程度上可说明原子核的表面振动，相当成功地说明原子核裂变的机制。其不足是不能说明原子核性质的周期性变化现象。

原子核结构核壳层模型

②核壳层模型。因研究幻数而提出的核模型。大量实验事实显示随着核内质子和中子数增大，核的性质呈现某种周期性变化，当质子数Z或中子数为2，8，20，28，50，82以及中子数为126时，原子核显得特别稳定，在自然界的含量也比邻近的核素更丰富。这些数称为幻数，具有幻数的核称为幻核。这与核外电子填满壳层时的惰性元素化学性质特别稳定有类似性。因此考虑核子在其余A－1个核子的联合作用下的球对称中心势场中的运动，并考虑核子的自旋轨道强耦合作用，可以得出核子由低到高的能级结构。这些能级构成一些壳层。核子遵从泡利不相容原理，不可能有两个质子或两个中子处于完全相同的状态，由此可说明核子填充各能级（壳层）显示的核性质周期性变化现象，并得出与实验符合的全部幻数。核壳层模型还能很好地说明核基态的自旋和宇称；其不足在于对核的电器极矩、磁矩的定量说明同实验结果有较大的偏离，确定远离满壳层的核自旋也有些偏差。

原子核结构综合模型

③综合模型，又称集体运动模型。是在壳层模型和液滴模型的基础上发展起来的，一方面考虑核作为集体的转动和振动，另一方面考虑每个核子又在一个变动的非球对称的平均势场中作独立运动，这两种运动还有相互影响。根据综合模型可很好说明核的转动能级和振动能级，关于核的电器极矩、磁矩以及γ跃迁率的计算和实验值的符合程度也都有明显改善。

核磁共振是当原子核被磁场磁化时对射频的响应。原子核一般都有净磁矩和角动量（或自旋），当外部磁场出现时，原子核就会围绕外磁场的方向运动，和陀螺围绕地球的重力场运动是一样。如果这些发生自旋的原子核有磁性，且和与外部磁场发生相互作用时，就会产生出可测量的信号。若原子核中的中子数和质子数有一者或两者都为奇数，那么产生核磁共振信号的条件就具备了，如氢核1H，碳13C，氮14N 等。自然界中氢核1H 的含量丰富，具有较高的检测灵敏度，磁矩比较大并且容易产生较强的信号。所以绝大多数的核磁共振技术都是以氢原子核的响应为基础，我们讨论的质子就是氢核。氢原子核有一个质子，是一个很小的具有角动量或自旋的带正电荷的粒子。自旋质子相当于一个电流环，产生一个磁场。两极（南极和北极）对准自旋轴的方向。因此氢核可以认为是一个磁针，其磁轴与核的自旋轴一致。当存在许多氢原子且无外部磁场时，氢核的自旋轴是随机取向的脉冲翻转和自由感应衰减。磁化矢量从纵向翻转到横向平面，通过一个与静磁场 B0垂直的交变磁场 B1来完成。B1的频率必须的等于质子的拉莫尔频率。从量子力学的角度看，如果质子处于低能态，它就会吸收由 B1提供的能量跃迁到高能态。B1还能使质子之间同向进动。由 B1引起的能级的变化和同向进动就称为核磁共振（NMR）。

《原子核转动惯量的几个基本问题》是金太浩撰写的论文。

副题名

外文题名

论文作者

金太浩著

导师

曾谨言教授指导

学科专业

理论物理

学位级别

d 1995n

学位授予单位

北京大学

学位授予时间

1995

关键词

原子核结构 转动惯量

馆藏号

O571.2

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.012002624692

馆藏目录

1998\O571.2\10

粒子模型两个质子的凝聚

通常物理学上将质子和中子称作核子，即原子核由质子和中子构成。从中子模型可知，中子是由质子和电子构成的复合粒子，因此将原子核理解为由质子和电子构成更为恰当。

原子核中的质子之间和质子与电子之间是通过场的耦合而凝聚在一起的。质子与电子之间的耦合原理见中子模型。根据质子模型可知，质子端面的中性场是比其斜面和侧面更强的场，因此两个质子是端面相对凝聚在一起的。

如图7-1所示，凝聚在一起的两个质子，它们内部的光子一一对应且极性相反，端面中性场之间、斜面中性场之间以及侧面极性场之间的场线相互耦合，所有耦合场的耦合力共同构成了物理学上所谓的强核力。

粒子模型原子核的梭状模型

以氮原子核为例，如图7-2所示，氮原子核存在上下、左右和前后三种结构对称性。原子核中心最长的一串质子和电子称作原子核的中轴，用R0/L0表示，L0对应的面又称原子核的主面；图7-2中a中上下两侧的两串质子和电子对应的轴记为R 1和R-1，相应地，前后两侧的两串质子和电子对应的轴记为L 1和L-1(见图7-2中b)。氮14和氮15的原子核中各轴上的质子和电子的数量见图7-2c和d。不同轴上相邻的两个质子，在轴上的位置相差半个质子占位。

从氮原子核模型可以看出，原子核是由质子和电子凝聚成的梭状体。核内质子同向规则排列，相邻轴上质子相互咬合而不存在间隙，原子核的剖面图呈肺泡结构，可见原子核的物质密度是极高的；所有相邻的质子间，它们相对的光子均极性相反而紧密耦合在一起(参见图7-1)，这就形成了核力的强力性质；电子如同毛发一样附着在核表面的质子上，电子和它所附着的质子一起，我们称作了中子，这就是实验观测到中子都分布在核表面的原因 。

从上述核结构模型可以看出，核力是由核子之间多个中性场之间和极性场之间的耦合力共同构成的，其中中性场之间的耦合力起主导作用。可见，核力和引力是性质相同的力，关于核力的短程性，这是由质子费米级的场强衰减步长(即质子半径)所决定的。

粒子模型部分原子核的结构模型

根据原子核的梭状模型原理，参考元素丰度和元素周期理论，建立元素周期表的前两个周期元素的核结构模型和原子核中核子排列分别见图7-3和下表。

从图和表可以看出，丰度为100%的元素，其核结构具有三个方向上的对称性；丰度非常低的元素，其核结构的对称性也较差；同一种元素的不同同位素之间，核结构对称性较好的，其丰度也相对较高。据此推测，所谓幻数核就是核结构对称性较好的原子核。

由此可以得到如下结论：原子核中轴或主面上的质子数最多，距离中轴或主面越远，轴或面上的质子数越少；中轴上质子数不少于4时，其两侧轴上才会有质子存在，依次类推，且二者的质子数相差一般不小于3。

需要指出的是，上述核结构模型还处于初级阶段。尤其中轴以外各轴上的质子和电子的排列，存在多种可能性。只有通过实验观测，才能从多个可能性中确定唯一的排列，或确认同位素存在进一步的细分。

值得一提的是“原子质量单位”的概念。1960年物理学国际会议决定，定义一个C中性原子处于基态时静止质量的1/12为原子质量单位。从上述原子核模型可知，原子核具有由中性场和极性场构成的复杂的场结构，“原子质量单位”仅是一种极为粗造的描述原子核的一种方法而已。