核多体问题(nuclear many-body problem)是研究由三个以上核子 组成的微观核物理系统的问题。原子核是由质子和中子组成的量子多体系统,服从量子力学运动规则。原子核的结构和原子核反应的性质是由组成原子核的核子和它们之间的相互作用,以及複杂的量子多粒子系统来确定。由于原子核是由核子通过强相互作用的多粒子系统组成,量子场论处理多体问题的微扰理论已不适用。严格的理论处理还很困难。
基本介绍
- 中文名:核多体问题
- 外文名:nuclear many-body problem
- 特徵:由三个以上核子组成的微观系统
研究分类
对于核多体问题的研究大致概括为两大类:基于核物理现象的唯象方法,以及从核子–核子相互作用出发,在量子多体理论框架下进行的微观研究。
唯象方法
对于多粒子系统唯象的研究是着重于大量的物理现象,如核的单粒子激发,核的集体激发,核的转动和振动,核大振幅的集体运动,核的裂变、熔合、重离子反应等,并用各种理论模型来解释。常用的理论模型有核壳层模型、原子核的集体运动模型、相互作用玻色子模型,以及一些巨观模型,如费米气体模型、液滴模型、流体动力学模型、统计模型等。但唯象模型和巨观模型的参数较多,对参数的依赖较强,缺乏理论的预言能力。为更好地描述和预言实验现象,常採用巨观和微观的混合模型。
微观方法
微观方法是从自由核子–核子相互作用,採用非相对论或相对论量子多体方法来研究核的性质。20世纪70年代,在量子场论的介子交换理论基础上,从大量核子–核子散射相移实验和唯一的两核子束缚态氘核的基态性质出发,成功建立了自由核子–核子两体相互作用势。直接用量子力学的多体理论来研究核的性质,最简单的方法是在密度均匀分布的无穷大的核系统来讨论。由于核力具有饱和性,重核中心区域密度趋于常数,在核物质中的研究可讨论核的整体性质。在非相对论核多体理论框架下,按空穴线展开的梯形图的无穷级求和方法,称为BHF方法。研究发现,这种微观研究不能定量地符合核物质饱和性质的经验值和描述三体核系统,如3He、3H的基态性质,必须引进三体力才能改善与实验值的符合。然而,近十多年基于相对论量子场论的狄拉克BHF(DBHF)理论的研究,将核子处理为狄拉克粒子,核子的相互作用势场是由很大的标量势和矢量势的抵消得到。在大于饱和密度时标量势趋于饱和,矢量势随密度增加,引进了新的饱和机制,成功描述了核物质的饱和性质。
核子研究
由于BHF和DBHF方法的複杂性,大部分的研究局限于核物质情况。对于有限核的研究,常採用唯象的核子的有效相互作用,作哈特里–福克计算。原子核的状态用满足完全反对称的单核子波函式来描述,用变分原理得到核子在核内的势场,从而得到单核子波函式,并作自洽的计算,这种方法称为哈特里–福克方法。核子的有效相互作用的参数由一些实验数据来确定。许多情况下,这种方法是成功的,常用的核子的有效相互作用有斯基尔姆势、密西根M3Y势和戈格里势等。近来将核子处理为狄拉克粒子的相对论平均场理论,核子的有效相互作用是由核子之间交换标量介子σ、矢量介子ω、ρ和给出库侖相互作用的光子来描述,并考虑介子的非线性自相互作用,有效耦合常数是由符合核物质和一些稳定核的性质来得到。相对论平均场理论不仅成功地描述了周期表上核素和核素图上的大部分核的基态性质,而且成功地套用于核结构和反应的许多研究。有效π介子的贡献必须考虑相对论哈特里–福克方法,由于计算的複杂性,现今尚未得到理想的有效相互作用参数,研究有待于进一步发展。