同位旋小伙子，你飘得并不快！
原子核有中子和质子组成
质子和中子组成了原子核，而且均匀地分布其中，同时都在不停地运动着。为了表示原子核的特征，经常提到的有两个量，一个是温度，表示在平衡状态下原子核具有的热量。另一个是同位旋，表示一个原子核中的中子数与质子数的差别。如果均匀加热整个原子核，它的温度就会上升。就像烧开水一样，只加热原子核的一个局部，被加热的局部就会先热起来，然后通过中子、质子它们之间的相互碰撞将热传给其他部分，在经过一段时间后，整个原子核的温度才会达到平衡。这个过程就叫热的输运过程，也称热弛豫过程。同样，如果往一个稳定的原子核中另外加入一些中子或质子，这个原子核的同位旋值也就会有变化。如果同时将另外的中子或质子均匀地添加到原子核的每一个部位，这个原子核的同位旋就立刻从一个值变为另外一个值。但是，如果将另外的中子或质子，都从一个地方塞进去，那么塞进的中子（或质子）会扩散到整个原子核，而且会在中子和质子之间不对称作用力（或者叫对称能）驱使下，在扩散的同时将过多的中子（或者质子）从核中抛出去，称为发射粒子，原子核的同位旋值也就从一个值变为另一个数值。这个过程称作同位旋的输运过程，或者叫弛豫过程。温度和同位旋两者从不平衡过渡到平衡，哪个需要的时间长，是“龟兔赛跑”呢，还是一样？早先认为温度平衡的时间与同位旋的相比，简直是“龟兔赛跑”。后来有人又说，同位旋平衡也需要一段时间。这个问题到现在也没有彻底搞明白。这关系到上面提到的作用力的大小，它是目前核物理学科研究的一个热点。
如何判定上述两个过程的快慢呢？只有在加热原子核的同时，往原子核中加入更多的中子或质子。为同时达到这两个目的，原子核反应是唯一的办法。原子核反应就是用一个高速运动原子核撞击另一个原子，使一部分动能转化为热能，同时也往原有的原子核中加入了质子和中子形成新的原子核。从两个原子核接触的那一霎那，温度和同位旋就开始向平衡过渡。我们已经知道，温度高的原子核，会通过向各个方向上发射出数目大致相等，能量符合特定分布的粒子而降温。在同位旋平衡过程中，也会根据新原子核同位旋的平衡程度，发射出不同同位旋的粒子。
原子核反应示意图
如何使两个原子核发生冲撞呢，首先要让一个原子核跑起来。这就要求助于重离子加速器。兰州重离子加速器就是专门让原子核跑起来的设备，不仅要跑起来，而且还要跑得快。譬如说，可以使氩原子核在一秒钟内跑完8万千米。如果开足马力，还可以使它在一秒钟内跑完大约29万千米，快赶上光速了。清华大学和中国科学院近代物理研究所的科学家就让前一种跑得不太快的氩原子核去撞金原子核。当两个原子核碰上时，它们连拉带拽地缠在一起，一边转动，一边相互熔为一体，好像在跳舞一样一边转圈，一边向一起靠紧，做着高难度动作。它们接触的地方，温度会迅速上升，同位旋也会剧烈变化。这两个量像两个运动员一样都向平衡点跑去。他们跑得实在太快了，简直像是在飘似的。都为了跑得更快些，就一边跑一边向外甩包袱，即发射粒子（我们且把这种包袱叫作同位旋过剩）。由于这些包袱也带走了热量，温度也借此有所降低，一举两得。
科学家把他们扔的包袱（同位旋过剩）一个一个都“拾”起来，按照扔出时原子核转过的角度按次序摆放整齐，并且对每一个过剩物都仔细地称重（计算同位旋过剩量）。结果发现在开始时扔出的过剩物最重，随后迅速变轻，在新原子核还没有转够半圈时，就都一样重了。这表明，当同位旋飘到平衡时，温度也就紧接着达到了平衡。看起来同位旋并不像早先说的跑得像“兔子”那样快，而是与温度这个“乌龟”跑得差不多一样慢。也就是说同位旋也具有较长的飘移时间。
科学家把这些过剩物重量的变化速度与要把原子核压小一点所用的力联系起来，经过一番仔细的计算，他们惊奇地发现，用这种简单的方法得到的结果，可以清楚地告诉我们，将原子核压小额外多加的力一定要在一个限定的范围内，不能太大，也不能太小。
核反应过程示意图。核反应发生时，两个原子核一边向一起靠拢，一边旋转，一边发射粒子，最后达到热平衡和同位旋平衡，颜色代表温度，斑点代表同位旋。
作者简介
靳根明，男，研究员，博士生导师。1967年毕业于清华大学工程物理系，1968年分配到中科院近代物理研究所从事核物理实验研究至今。
中国科学院近代物理研究所