量子色动化学转座与水合钠离子幻数效应 严河流 摘要:从原子级效应量子色动化学转座和水合钠离子幻数的比较研究,能造出能量超出氢 弹、原子弹,但没有放射性污染的能源的假说,当然前提仍应以今后官方公开的真实事实为准。 关键词:量子色动化学 幻数效应 转座效应 原子级的幻数效应发现意义重大 2018年5月14日《中国科学报》记者丁佳先生,在“科学网”上发表的《人们首次看到水合钠离子的原子级“真面目”》一文报道:5月14日出版的英国《自然》杂志刊发了一篇北京大学江颖、徐莉梅、高毅勤课题组,与中国科学院/北京大学王恩哥课题组合作的研究成果──-发现了一种水合离子输运的幻数效应后。这是至今科学家们首次才看到的水合钠离子里的原子级“真面目”。 有 读者评论说:“这是非常有意义的一项研究”。但也有读者评论说:“幻数效应”有趣,“但离实际应用尚有距离”。这是不懂原子级的幻数效应和原子级的量子色动化学转座效应相连──-这为什么会难倒无数的大科学家呢?中科院院士、北京大学讲席教授、中国科学院大学卡维里研究所名誉所长王恩哥教授说:“水看起来很简单,元素构成也很简单,但在科学上却是个大难题……实际上,科学家从来都没能把水真正搞懂过。而且越研究,问题就越多”。 其实,王恩哥教授只说出了一半。要讲清这个问题,首先要了解什么是“幻数效应”?但这里要区分普通物理化学里的“幻数”和量子色动化学里的“幻数”,有相似,也有不同的研究方向。即前者重视的是元素原子里的中子数及其中子数的结构组合,后者重视的是元素原子里的质子数及其质子数的配队结构组合。 这里的联系,说“幻数”,先说众所周知的“幻方”──-应该说,幻方、幻数,最早起源于我国。例如,宋代数学家杨辉就称之为纵横图,即在一个由若干个排列整齐的数组成的正方形中,每行、每列、每条对角线上的数字的和都相等的方格, 叫“幻方”。它们的和,叫幻和。方格中的是数,称幻数。 但普通物理化学里说的“幻数”、“幻数效应”,与此不同,是作了新延伸的。例如,2000年日本理化研究所曾宣布,该所的科学家谷畑勇夫就再次发现了幻数为“16”的新的物理学“幻数”──-原子核是由质子和中子构成,在质子数和中子数为某个特定数值或两者均为这一数值时,原子核的稳定性就比平均值大。这些数值被称为“幻数”。迄今已知的幻数有2、8、20、28、50、82、126。自然界广泛存在的氦、氧、钙、镍、锡、铅元素的质子或中子数分别与2到82的幻数相对应。质子数和中子数均为126的元素目前尚未发现。当原子核中质子和中子数都为幻数时,这样的情况称为双幻数。例如自然界存在质子数82、中子数126的铅同位素Pb,就具有双幻数,显得异常稳定。 这是谷畑勇夫使用特殊的装置──重离子加速器,人工制作出了中子数目多的原子核,即中子数量过剩的原子核,并对保持稳定状态的中子进行研究,结果发现中子数为6、30和32时,原子核不容易遭破坏。他认为这是新的“幻数”。谷畑勇夫曾经发现幻数“16”;他认为,在中子数量过剩的原子核里,存在着与一般原子核不同的幻数系列,这些发现有助于解释为什么在宇宙中某些特定元素比较多的现象。不过,事实证明还存在其他的幻数。英国萨里大学和美国佛罗里 达州立大学的科学家报告,他们发现具有放射性的人造硅同位素──-硅42,具有14个质子,28个中子,结构异常稳定,似乎具有双幻数。 他们指出,8和20之间存在一些小的能量级,但由于量级差别不大,因此并不能表现出幻数,这也是普通质子和中子均为14的硅,不像其他“幻数元素”那样稳定的原因。不过随着原子核粒子的增多,粒子的相对量级可能就会发生改变,他们认为,人造硅42因为比普通硅原子中多了14个中子,因此使14也成为了一个幻数。寻找幻数,对开发众多“多中子同位素”相当关键。理解原子核的量级结构对量子理论也是一种检验,同时,对于理解发生一系列核反应的超新星爆炸也很重要。恒星爆炸死亡创造了所有比铁重的元素。爆炸过程中,大量的中子被释放出来,与原子相结合,短暂地出现了与硅42类似的“多中子同位素”。 幻数的存在是原子核有“壳层结构”的反映,表示相同的粒子以集团的形式构成结合状态,就会出现某种秩序,并且决定原子核的性质。早在1949年德国的核物理学家迈耶和延森等人,就用轨道和自旋相互作用来解释这种现象,并建立了“壳层模型”。他们提出核子所处势场,应该在方势阱中加入核子的自旋-轨道耦合作用项;考虑了核子的自旋-轨道耦合作用之后,引起了能级的分裂,凡是l > 0的所有能级都一分为二,即分裂为j = l -1/2和 j = l + 1/2两个能级,并且分裂后能级的间距随l的增大而增大,使能级分布表现出明显的相对集中的情形,即显示了清晰的壳层结构,可看到壳层结构给出了2, 8, 20, 28, 50, 82和126全部幻数。但这里原子核的壳层结构,并不表示核子的空间分布,而是表示核子的能量分布,核子的空间分布应该由描述核子量子态的波函数的模所决定的空间概率来表示。他们由此,获得1963年诺贝尔奖。 此后的物理学界一直认为,幻数是固定不变的。实验表明,自然界存在一系列幻数核,即当原子核内的质子数或中子数为2, 8, 20, 28, 50, 82和126时原子核特别稳定。例如,Z >32并为偶数的稳定核素中,同位素的丰度一般都不大可能超过50%,但是三种属于幻数核的核素的丰度却都在70%以上。又例如,中子数为50、82和126的原子核俘获中子的概率比邻近核素小得多,表明这种核不易再结合一个中子。再例如,幻数核的第一激发态能量约为2 MeV,比邻近核素的要大得多,特别是第一激发态的能量却为2.61 MeV,是最大的。幻数核的存在,立即使人们想到原子序数等于2, 10, 18, 36, 54, …时元素表现出特别稳定性的情形,原子的壳层结构对此作出了圆满的解释。核素性质所表现的周期性以及幻数核的事实,是否也可以用原子核的壳层结构给予解释呢? 人们仿照核外电子处于由原子核提供的有心势场中相对独立的运动,求解薛定谔方程,考虑到泡利不相容原理后,立即得到了原子壳层结构的情形,也假设原子核内每个核子都是在由其他核子提供的平均势场中作相对独立的运动,求解薛定谔方程,然后考虑到质子和中子都是费米子也应遵从泡利不相容原理,试图得到原子核的壳层结构。在这里,以何种形式表示核子所处势场,则是至关重要的。人们曾经将核子所处势场表示为谐振子势,方阱势,或费米型势,但都只能得到2, 8, 20三个幻数。要得到全部幻数,必须对核势场作更深入的分析。 原子核的壳层结构模型不仅给出了全部幻数,说明了幻数核的稳定性,而且相当好地解释了大多数原子核基态的自旋和宇称。但是壳层模型也存在一定缺陷,如对核电四极矩的计算值与实验值相差很大,对核能级之间跃迁速率的计算值远低于实验值等。若n个原子组成原子团簇,有些n值 对应的原子团簇很稳定,存在的几率很大。有些n值 对应的原子团簇很不稳定,存在的几率很小。而究竟什么样的n值对应的原子团簇很稳定?什么样的n值对应的原子团簇不稳定?其规律貌似“诡异” n就成了“诡异”的数──幻数。而相应的 n值-稳定性规律,称幻数效应。 但量子色动化学里说的“幻数”,重视的是元素原子里的质子数及其质子数的配队结构组合,其变化类似“转座效应”。这可用张磊教授 2018年5月25日的博文《玉米成为遗传定律的叛徒?60年前她早就用玉米彻底颠覆了遗传学》中的巴巴拉·麦克林托克的遭遇来比喻。1983年已经81岁的麦克林托克一人独揽了诺贝尔生理学或医学奖──-这30多年后,她的研究成果才终获认可。我们关注麦克林托克,是因为我们研究三旋理论,认为遗传基因在生物细胞内染色体上的定位,是直线排列还是环圈排列不是绝对的,绝对的因素是三旋。为了说明这个思想,我们首先来了解一下植物学家麦克林托克的转座因子理论。 摩尔根认为,生物细胞的遗传物质是很稳定的,遗传基因在染色体上有固定的位置,并且以一定的秩序在染色体上作直线排列。虽然基因之间有时也会发生有秩序的交换,但只限于在同源染色体的等位基因之间进行,并且不会打乱原有的顺序。除了频率极为稀少的染色体倒位和易位之外,人们再也想象不出,还有什么机制可以改变基因位置。然而早在1931年至1951年,麦克林托克发现某些玉米秧苗叶子的颜色会自动消失,而另一些叶子,则呈现这种颜色。即麦克林托克发现遗传基因是可以移动的,能从染色体的一个位置跳到另一个位置,甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她将这些自发转移的遗传基因称为“转座因子”,并指出它们除了具有跳动的特性之外,还有控制其他因子开闭的作用。这是她从对玉米籽粒出现的斑斑点点的多年的实验研究中,感到这些控制因子跳动得如此之快,使得受它们控制的颜色基因时关时开的原因。 |