原子核内部结构究竟是怎样的？

物质是由原子构成，原子是由原子核与绕核旋转的电子组成，原子核由带正电的质子和中性的中子所组成。中子和质子统称为核子。由于质子带正电，它们之间存在着库仑斥力的作用。显然，在10～13厘米的核半径范围内，这种斥力是相当大的。以铀核为例，那里有92粒质子聚集在10～13厘米这样一个直径的空间中，两粒质子之间的库仑推斥力大约等于250牛顿。在铀核边缘的一个质子会受到其它91个质子的推斥力，总的斥力约在10 000牛顿左右！但是，在这么大的斥力作用下，为何质子之间还能相安无事地处在一起呢？原来在核子间还存在着一种比库仑斥力强大得多的吸引力，这种吸引力就是核力。经过探索，人们虽然已经知道核力的某些性质，但核力的全部性质和本质至今还未完全了解。因此，由核力怎样形成原子核的问题还是一个没有被完全解开的谜。科学家为了探索这个谜，一方面作了大量的关于原子核的实验，另一方面根据实验事实的分析提出各种模型以期揭开原子核结构的真面目。

20世纪30年代，费米就提出过原子核的气体模型。由于这个模型过于简化，所以，它仅能部分地定性提供核的性质的描述，并没有能解决原子核内部的结构问题。

伟大的物理学家尼尔斯·玻尔提出了原子核液滴模型。由实验表明，核内的核子只与其最邻近的核子发生核力的作用，即核力具有饱和性。而液体中分子之间相互作用也有这样性质。玻尔就是根据这种相似性而提出原子核液滴模型的。利用这个模型可以成功地推导出原子核质量（或结合能）的外斯塞格公式。关于液滴模型还有一段趣闻呢！1938年底，德国科学家哈恩和施特拉斯曼用慢中子轰击铀核，实验的产物使他们大为震惊：只有认为铀核发生分裂产生出钡来，才能解释这个实验。而在当时，人们认为重核分裂几乎是不可能的。哈恩将这一切写信告诉了在瑞典的原来的合作者，女物理学家梅特涅。梅特涅和她的外甥——物理学家费里施起初对此也深感困惑。姨甥二人在深入讨论后，惊喜地发现用液滴模型能很好地解释哈恩的实验，哈恩的实验结果实际上是铀核发生了裂变。所以，液滴模型能够解释原子核的裂变现象是这个模型的另一个成功之处。

但是，液滴模型并没有说明原子核的内部结构。因此，它不能解释原子核的很多其它性质，例如：原子核“幻数”存在的事实。

所谓“幻数”，就是中子数和（或）质子数等于2、8，20、28、60、82，或126的这些数称为“幻数”。处于“幻数”的原子核具有特殊的性质，如它在自然界中的含量多，而且特别稳定等。而以前我们知道，当核外电子填满壳层时，原子的性质特别稳定，也存在有2、8、18等满壳层电子数。利用这种“幻数”与“满壳层电子数”的相似性，女物理学家梅耶提出了原子核的壳层模型。这个模型很好地说明了原子核“幻数”存在的实验事实，还能成功地确定大多数原子核基态的角动量、宇称和磁矩。但是，对有一些核的核自旋和宇称，壳层模型就无法解释。对于原子核的形变性质，壳层模型也无能为力。

为了解释原子核的形变性质，在液滴模型的基础上，尼尔斯·玻尔的儿子——物理学家艾格·玻尔和莫特逊一起提出了原子核集体运动模型。这个模型虽然能解释原子核的形变等一些性质，但无法解释从一种形变核到另一种形变核的过渡及其它一些性质。

为了继续深入了解原子核的结构，20世纪70年代中期，日本物理学家有马朗人和美国物理学家雅克罗又在壳层模型的基础上提出了相互作用玻色子模型（简称IBM模型）。所谓玻色子是指遵守玻色——爱因斯坦统计律的粒子。IBM模型与其他核模型显著不同之处是它另辟蹊径，从分析原子核的对称性出发，利用群论作为数学工具，推算出了重原子核的能谱等性质，这些在低激发态与实验符合较好。它所预言的三种对称性均可在实验中找到，这是最为重要的。而在此之前，人们普遍认为重核是复杂的多体系统，对称性在其中是几乎不存在的。IBM模型的成功改变了人们这种观念。但需要指出的是，IBM模型由于存在模型参数太多以及在高激发能级上理论和实验结果不符等缺陷，因此这个模型也是不完美的。

值得一提的是，上述核模型中有三个（液滴模型、壳层模型、集体运动模型）分别荣获1922年、1964年和1975年的诺贝尔物理学奖。

原子核的各种模型都只是部分地对原子核进行了描述，它们从不同的角度反映原子核的部分规律。到目前为止，还没有一种核模型能完全说明原子核的结构及性质。要彻底搞清原子核的内部结构，还有相当长的一段路要走，原子核结构之谜还有待于人们去进一步解开。