第25卷第6期2006年6月大 学 物 理COLLEGE PHYSICSVol.25No.6June.2006
物理学史
迈耶夫人与核壳层模型
赵继军,陈 岗,刘树勇
(首都师范大学物理系,北京 100037)
摘要:介绍了迈耶夫人的生平和她对物理学的主要贡献,回顾了她从幻数入手,继而建立原子核壳层模型的过程,以及由此带给我们的启示.
关键词:迈耶夫人;核壳层模型;幻数;自旋轨道耦合
中图分类号:O4-09 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2006)06-0040-04
迈耶夫人和詹森因对原子核壳层结构所作出的贡献而与维格纳共同分享了1963年度诺贝尔物理学奖.2006年恰逢迈耶夫人诞辰100周年,现在回顾她的生平和她对科学事业的贡献是很有意义的.
和温道斯(Adolf.O.R.Windaus,1876)1959).玛丽亚的这篇论文主要是计算了两个光子同时发射或吸收的概率.计算结果表明,这一概率如此之小,其效应在当时实际上是观测不到的.直到后来人类发明了激光器,在强大的激光束照射下,这一现象才得到了证实,并与理论基本相符.多年后,维格纳(EugenePaulWigner,1902)1995)评论说,这是一篇/明了而具体的杰作0.1930年,玛丽亚与美国洛克菲勒基金会资助的、正在同校从事研究工作的年轻物理化学家约瑟夫#迈耶(JosephMayer)结婚.1931年,玛丽亚与丈夫一起赴美,在约翰斯#霍普金斯大学工作.惠勒(JohnArchibaldWheeler)回忆说,迈耶夫人上课时与同学们围坐在桌旁,边读玻恩的量子理论新书,边讨论,这使惠勒感到/令人振奋0.后来惠勒在芝加哥参加曼哈顿工程时又与迈耶夫人共事,并/折服于她的能力0.惠勒说:/虽然她在大部分专业生涯历程里都受到不公平对待,却总是维持愉悦的态度,并活跃于理论物理学界.0[3]
1939年,迈耶夫妇全家迁到纽约,并转入哥伦比亚大学.1941年12月8日(日本偷袭珍珠港的第二天),迈耶夫人获得了来到美国后的第一个教师薪职,在纽约州布朗克斯维尔的萨拉#劳伦斯学院教数学和物理学.1943)1944年,她应尤里(HaroldClay-tonUrey,1893)1981)之请,赴哥伦比亚大学从事战争研究工作.这是有关SAM(代用合金材料)的绝密工作,其任务是从贮量比较丰富的铀238中,提炼出铀235.
1946年,费米(E.Fermi,1901)1954)、尤里、泰勒(E.Teller,1908)2003)和约瑟夫#迈耶在芝加哥
[2]
1 迈耶夫人生平
玛丽亚#戈佩特#迈耶(MariaGoeppertMayer,即迈耶夫人,原名玛丽亚#戈佩特)1906年6月28
日出生于德国的上西里西亚地区(第一次世界大战后归属波兰)卡托维兹市的一个教授世家(她家前六代都是德国大学教授).她是弗里德里希#戈佩特(FriedrichGoeppert)和玛丽亚#戈佩特(MariaGoep-pert)的独生女.
1910年,小玛丽亚4岁时,父亲被任命为德国哥廷根大学医学院儿科教授,因此全家迁居到哥廷根市,哥廷根这座历史名城成了她的第二故乡.对于玛丽亚来说,这次搬迁是很幸运的,因为在她成长的年代中,哥廷根以数学和物理学而闻名于世,哥廷根大学的物理系当时正在变成促进新物理学(既现代物理学)发展的活动中心[1].这里聚集了许多著名的物理学家,如理论物理学家马克斯#玻恩(MaxBorn,1882)1970)、实验物理学家詹姆斯#弗兰克(JamesFranck,1882)1964)等著名学者就在此工作(这两个人后来都获得了诺贝尔物理学奖).1924年,玛丽亚以优异成绩考取哥廷根大学,在哥廷根大学学习物理、数学和化学.1930年,玛丽亚在玻恩和弗兰克的指导下,完成了原子结构(量子力学)博士课程,通过了博士答辩.在她答辩时,答辩委员会竟然有三位著名物理学家)))玻恩、弗兰克
收稿日期:2005-12-15
作者简介:赵继军(1981)),男,北京人,首都师范大学物理系2004级硕士生,主要从事物理学史研究.
第6期 赵继军等:迈耶夫人与核壳层模型
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大学一个新成立的核研究所任职,他们所用的实验装置被安放在附近的国立阿尔贡国家实验室内.迈耶夫人被学校任命为志愿副教授,后来成为正教授和研究所成员,她一面在物理系任教,一面在该校刚刚成立的核研究所从事研究工作.此外,她还应美国阿尔贡国立实验室的聘请,在该室搞核物理研究.虽然核物理是一门新的学科,但她以坚强的意志和锲而不舍的钻研精神,很快便熟悉和掌握了这一专业知识.正是在这里,她创立了原子核壳层理论的概理想液滴处理.
1936年玻尔用这个模型计算核反应截面,由此说明了一些核现象.1939年玻尔和惠勒在解释重核裂变时,又用上了液滴模型.但是早期的液滴模型没有考虑核子运动,所以不能说明核的自旋等重要性质.后来加进了某些新的自由度,液滴模型又有了新的发展.
导致核壳层结构发展的一个主要动因是存在着所谓的/幻数0.在20世纪30年代,人们发现,在一念,为此,她后来获得了诺贝尔物理学奖.
1960年,迈耶夫妇赴加利福尼亚大学任教,迈耶夫人任物理学教授,丈夫任化学教授.
迈耶夫人是继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理学奖的女物理学家,并且是历史上第一位获得诺贝尔物理学奖的女性理论物理学家.迈耶夫人不仅在原子核结构研究上有重大建树,而且在固态理论、统计物理,尤其在相变理论研究方面也作出了举世瞩目的贡献.她是美国科学院、海德堡科学院、美国艺术与科学院院士和美国物理学会会员.她还被拉塞尔奇学院、蒙特霍尔尤克学院和史密斯学院等六所大学授予名誉博士学位.1972年2月20日迈耶夫人在圣地亚哥逝世,享年66岁.
2 迈耶夫人对核壳层结构模型的研究
正如原子模型的建立是原子物理学史中最重要的事件一样,原子核模型的建立也是原子核物理学发展中最重要的事件.
2.1 前人的工作
在研究原子核结构时,核物理学家遇到一个重大的挑战,就是如何把原子核作为一个强相互作用粒子的多体系统去探索.他们希望通过核的组成粒子的运动去了解核的结构和建立核的动力学理论,探讨制约这些粒子运动的基本相互作用力.为此,他们在实验方面通过核谱学进行各种核反应的分析、归纳和推理,在理论方面则构思各种简化的数学模型来使复杂的多体问题变得容易处理.
早在核壳层模型提出之前,1935年玻尔(N.Bohr,1885)1962)和弗伦克尔(Y.I.Frenkel,1894)1954)提出了原子核的液滴模型.他们认为,原子核每个核子的平均结合能几乎都是常量,核的结合能与核子数成正比,这显示了核力的饱和性;此外,核的体积也与核子数成正比,核的密度近似为一个常量,这又表明了原子核的不可压缩性.这些性质与液滴非常相似,因此,可以把原子核作为带电荷的
些原子核中,当质子数或中子数是所谓的/幻数02、8和20之一时,它们都将会各自构成特别稳定的系统.1933年,哈金斯(Harkins)和埃尔萨塞(Elsasser)又发现了28、50、82和126等幻数的存在,并对这些幻数进行了最早的测量和分析.这些幻数跟元素的周期性非常相似,所以显得如此奇妙,以这些幻数的中子或质子构成的组态与其他的核相比,通常显得更稳定些,而原子的壳层结构理论正是建立在这一事实基础之上的.
然而,最初的尝试却是失败的,人们根据核子的运动求解薛定谔方程,却得不到与实验相符的幻数.再加上与壳层模型截然相反的液滴模型已取得了相当的成功,使得人们很自然地对壳层模型采取否定态度.
2.2 迈耶夫人的工作
迈耶夫人对核稳定性和核模型的研究起因于宇宙起源的/小爆炸0理论,该理论是她和泰勒约在1945年为了解释元素和同位素的丰度而提出来的.1946)1947年间,在芝加哥大学进行核物理研究的迈耶夫人在泰勒的指导下,进行有关元素起源的研究,并且研究相关的宇宙模型.在检验上述模型所需要的各种数据时,她开始分析相应的元素丰度,注意到其中的某些规律性,并且使得她对幻数感到迷惑.她与泰勒发现,某些原子核拥有的同位素不仅远多于他们的理论所能解释的,而且含量丰富.这些原子核具有某些共性:高丰度元素拥有82个中子或50个中子,而82和50都是/幻数0.这意味着稳定性因素必然在元素产生的过程中扮演重要角色.
迈耶夫人很快获悉埃尔萨塞早在1933年就已经得到了类似的观察结果,并且认真阅读了他的相关文章.但是与埃尔萨塞不同,此时她拥有更多的可利用的资料,除了元素的丰度,她还研究了与幻数有关的原子核结合能、自旋和磁矩,发现越来越多的证据表明这些幻数在某些方面非常特别,对于了解核结构具有重要意义.它们暗示核内有稳定的/壳层0,
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大 学 物 理 第25卷
类似于原子中电子的壳层结构.但当时流行的观点认为核的壳层结构是不可能的,因为同约束原子中电子的长程库仑力相比核力是短程力.
尽管如此,迈耶夫人并未放弃核壳层结构的想法,仍然坚持为壳层结构寻找更多的证据(如核的B衰变和四极矩等),并尝试按照核粒子的量子力学理论寻求解释.在这时候,费米也对幻数产生了兴趣,迈耶夫人有幸自始至终都与他一起工作,并得到费米的极大鼓励与支持,同他一起进行了许多有益的的核子,迈耶夫人又假定,它们之间的剩余相互作用主要使质子或中子两两匹配成对,其总角动量为零,这样,原子核的自旋和磁矩便由最后一个奇核子决定.
213 迈耶夫人和詹森的合作
1948年,在丈夫和同事们不止一次的敦促和鼓励下,迈耶夫人撰写了一篇公开陈述她的壳层模型理论的论文[5].1950年4月,有关她工作的一篇更充实、更完整的报告发表了[6].与此同时,德国海德讨论.她还得到了丈夫的有力支持和帮助,丈夫总是从化学家的角度给她以及时的指导.从某种意义上看,对于这类现象,一个化学家的知识要比一个物理学家更实用得多.她所关注的有关核特性的分类与化学性质的分类极其相似,后者导致了经典的化合价理论的发展,而前者的基本解释存在于泡利不相容原理之中.
一天,迈耶夫人正在同费米讨论问题,碰巧费米要去接一个长途电话而要暂时离开迈耶夫人的办公室,就在门口他转回头来问道:/存在自旋与轨道耦合的相互作用吗?0[4]这个问题是研究幻数的人所从未考虑过的.正是在费米的这一启发下,迈耶夫人凭借着很好的数学和量子力学基础,特别是当时物理学家尚不熟悉的转动群理论,通过在平均场中引入较强的自旋-轨道耦合,利用核力引起的能级分裂,计算出了与实验相符的结果.这样,只用了10min,当费米返回办公室时,她已经成功地解释了全部幻数的存在.
接着,迈耶夫人继续用数学方法详细证实了上述想法.她所引入的平均场就是普通谐振子阱和方阱,只是计入了强自旋-轨道耦合力,它引起单粒子能级分裂,由此得到了单粒子的能级.她的结果与现今的全同粒子能级图非常相似.对于所引入的自旋-轨道耦合力,虽然当时从理论上还无法进一步解释,但是这一假定为以后的核力研究确定了正确的方向.她还成功地证明了如何用平均场描述核子间的短程作用,从而解决了早期核壳层模型所遇到的难题.迈耶夫人正确地指出,由于泡利不相容原理的限制,在平均场中,核子依次填充低能态.对大部分核子,特别是满壳层的核子,由于其周围的能态已经被其他核子占据,因而只要它们之间的剩余相互作用不足以使它们跃迁到未被占据的高能态上,它们就只能在相互作用后仍然留在原能态上,使它们的剩余相互作用无法表现出来,所以这些核子之间的短程相互作用可以用平均场来描述.而对满壳层外
堡大学的物理学家汉斯#詹森(J.Hans.D.Jensen,1907)1973)与哈克塞尔(O.Haxel,1909)1998)和休斯(H.E.Suess,1909)1993)共同提出了/核壳层模型具有自旋-轨道耦合特性0的理论[7].这一理论与迈耶夫人的发现不谋而合.当她获悉詹森等人也给出了相同的解释时,就更加坚定了她的信心,使她确信这种壳层模型解释的正确性.
当时,迈耶夫人和詹森彼此并不认识,直到1950年她访问德国时他们才见面.为了开展更全面的研究,她和詹森从1950年开始合作,共同研究核壳层结构,并总结出他们的研究成果.这种合作使他们相得益彰,加速了他们的研究进程.1955年,他们合作完成了5核壳层结构的基本理论6(ElementaryTheoryofNuclearShellStructure)一书[8].这本书是他们研究工作的结晶,也是他们在核物理学领域中共同树立的一座丰碑.迈耶夫人和詹森合作证明了这些幻数是如何与壳层模型中具有最大稳定性的核相对应的,他们成功的关键是在势阱中加入了自旋-轨道耦合项,核子在按壳层排列的轨道上运动,其自旋方向与它绕中心旋转方向相同或相反时,其能量是不同的,而且每个核子的自旋和轨道角动量之间存在强大的耦合,因此总能使这两种矢量趋向于平行.他们还证明了幻核及它们的近邻核应该具有的特殊的行为:幻核俘获慢中子的概率较小.他们还预言了核的角动量值,并预言在大角动量值的区域,人们应该能发现大量的核的同质异能素.后来,实验证实了他们的这些预言.
3 核壳层结构模型的影响和意义
核壳层结构的基本思想是:原子核内部的核子(质子和中子)和原子核外的电子一样,也存在壳层结构.当原子核中的核子数是幻数时,它们就正好填满一个完整封闭的壳层.每个幻数表示每一壳层所能容纳的最大核子数.具有幻数的原子核显得特别稳定,就像有满壳层电子的惰性气体其化学性质特
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别稳定一样.
核壳层模型不仅成功地解释了原子核的幻数,而且对中子数和质子数为偶数的原子核与核子数都为奇数的原子核来说,由壳层模型得到了这些核的基态和宇称与实验相符的结果.壳层结构能成功地解释原子核的许多基本性质,如磁矩、宇称以及许多原子核低激发态等现象.
为了表彰迈耶夫人和詹森在原子核结构研究方面的重要贡献,诺贝尔奖金评奖委员会将1963年物识,往往指派她研究一些次要课题.然而,这些次要的课题未能禁锢她的聪明才智.她不论做什么都全力以赴,干则必成.正是靠着这种永远进取的精神,她最终摘取了荣誉的桂冠,成为蜚声世界的女科学家.
纵观迈耶夫人的成功,我们可以得到如下启示.首先,迈耶夫人热爱科学.迈耶夫人曾说过:/如果你热爱科学,那么你真正想做的就是继续一心工作.诺贝尔奖虽然使你激动不已,但是它并没有改变理学奖的一半授予迈耶夫人和詹森;另一半授予了在原子核与基本粒子研究上作出重大贡献的美籍匈牙利物理学家维格纳.在授奖仪式上,瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖评奖委员会委员沃勒(I.Waller)教授对迈耶夫人和詹森的研究成果给予了高度评价,他说:/戈佩特#迈耶和詹森教授在核壳层模型方面的研究成果,使人们对原子核结构有了新的认识.它标志着人类在原子核特性相互作用的研究上又取得了极为重大的进展.它将激励着人们对原子核进行更深入、更广泛的研究.0在致词中,沃勒教授还对两位获奖者说道:/你们独立开始的、后来又合作进行的关于壳层模型的研究工作,重新解释了原子核的结构,并在核性质的相互关系中取得了非常惊人的进步.你们的工作激励着新的研究工作日益增强,而且对于后来原子核物理的实验和理论工作也是必不可少的.0[9]
4 结束语
迈耶夫人在科学上取得如此卓越的成就决非易事.尽管在科学研究方面迈耶夫人表现出极高的才能,但在职业经历方面,迈耶夫人并不顺利,并随着迈耶先生的工作变动而变动.她的一生有坦途,也有曲折.她具有一切有造诣的名家大师那种百折不挠的精神,遇坦途不松劲,遭坎坷不气馁,在通往科学高峰的道路上总是勇往直前.在她生活的那个时代,德国旧的传统势力还很顽固,女子上大学不是件容易的事.在她准备考大学时,德国又出现了通货膨胀,哥廷根仅有的一所供女生准备考大学的私立中学也关了门.但她还是靠着自己的努力,冲破了那个时代的种种阻力,以优异成绩考取德国著名的哥廷根大学,实现了她早年的抱负.在研究事业上,她也是屡遭挫折,备尝艰辛.她初到美国时,正值大萧条时期,没有一个大学愿意录用她这位/教授的妻子0.有一段时间,她甚至找不到工作.搬到哥伦比亚大学后,她所在的SAM实验室主任尤里对她也并不赏
任何事情.0[2]
正是由于她对科学的热爱,以及强烈的事业心,才促使她能够在30年无薪任教的大学科研工作中坚持下来,并且全身心地投入到多领域的研究之中.
其次,迈耶夫人在父母和家庭的熏陶下,从小就树立了远大的理想,立志做一番事业,而不甘于/永远只做一个女人0.
再次,迈耶先生对迈耶夫人始终如一的支持,鼓舞着她几十年投身于科学研究的事业上.正是这种支持,使她得以不断研究和进取,并撰写了多篇有关核物理学的文章,为建立原子核壳层理论作出了贡献.最后,迈耶夫人一直处在像哥廷根大学、芝加哥大学和阿尔贡国立实验室这样优越的学术环境中,众多的理论和实验大师对她的研究都产生了深远的影响.多年来,她始终是一位辛勤的园丁,受人推崇和尊敬.她的健康状况长期以来一直不佳,1972年2月20日,她与世长辞,终年66岁.这一消息使她的朋友和同事们震惊不已,维格纳在谈到她时说:/她虚怀若谷,朴实无华,品格可爱,酷爱事业,这使她赢得了大家的爱戴0.[10]为了纪念迈耶夫人,1985年美国物理学会设立了玛丽亚#戈佩特-迈耶奖(Goeppert-MayerAward),专门用以表彰在科学上取得重要成就的女性青年物理学家.
[11]
值此迈耶夫人诞辰100周年之际,纪念迈耶夫人,缅怀她对现代物理学的贡献,可以激励后人尤其是众多具有才华的女性献身科学和实现服务社会的愿望.
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(下转51页)
第6期 盛嘉茂等:对突破工科近代物理教学一个瓶颈问题的探讨
高等教育出版社,1999.
51
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大学出版社,2005.
Abottleneckinmodernphysicsteachingforengineeringstudents
SHENGJia-mao
1,2
,MOWen-ling,WEIHuan
22
(11UndergraduateCourseDepartment,InstitudeofQingdaoBinhai,Qingdao,Shandong266555,China;
21InformationCollege,HebeiPolytechnicUniversity,Tangshan,Hebei063009,China)
Abstract:Thecontentofquantummechanicsshouldbereinforcedinuniversityphysicsteachingbecauseof
itsproportionisverysmall.Thebottleneckinquantummechanicsfoundationalteachingisoperatorandtherela-tionbetweeneigenvalueofoperatorandprobabilitydistributionofdynamicalvariables.Theauthors.newtext-bookandteachingpracticebreakingthroughthebottleneck.
Keywords:universityphysics;quantummechanicsfoundationalteaching
(上接43页)
[3] 约翰#惠勒,肯尼斯#福勒.约翰#惠勒自传[M].汕头:
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[11] AwardhonorsGoeppert-Mayer,
recognizeswomen
physicists[J].PhysToday,1985,38(9):107.
MrsMayerandshellmodeloftheatomicnucleus
ZHAOJ-ijun,CHENGang,LIUShu-yong
(DepartmentofPhysics,CapitalNormalUniversity,Beijing100037,China)
Abstract:MrsMayer.slifeandhermaincontributionstothedevelopmentofphysicsarereviewed.Wede-scribehowshestartedfrommagicnumbers,thensetuptheshellmodelofatomicnucleus.Thispaperexploresthereasonsforhersuccessanddiscusseswhatinspirationwecandrawfromher.
Keywords:MrsMayer;shellmodelofatomicnucleus;magicnumbers;spin-orbit-coupling
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物理学史
迈耶夫人与核壳层模型
赵继军,陈 岗,刘树勇
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关键词:迈耶夫人;核壳层模型;幻数;自旋轨道耦合
中图分类号:O4-09 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2006)06-0040-04
迈耶夫人和詹森因对原子核壳层结构所作出的贡献而与维格纳共同分享了1963年度诺贝尔物理学奖.2006年恰逢迈耶夫人诞辰100周年,现在回顾她的生平和她对科学事业的贡献是很有意义的.
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1939年,迈耶夫妇全家迁到纽约,并转入哥伦比亚大学.1941年12月8日(日本偷袭珍珠港的第二天),迈耶夫人获得了来到美国后的第一个教师薪职,在纽约州布朗克斯维尔的萨拉#劳伦斯学院教数学和物理学.1943)1944年,她应尤里(HaroldClay-tonUrey,1893)1981)之请,赴哥伦比亚大学从事战争研究工作.这是有关SAM(代用合金材料)的绝密工作,其任务是从贮量比较丰富的铀238中,提炼出铀235.
1946年,费米(E.Fermi,1901)1954)、尤里、泰勒(E.Teller,1908)2003)和约瑟夫#迈耶在芝加哥
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1 迈耶夫人生平
玛丽亚#戈佩特#迈耶(MariaGoeppertMayer,即迈耶夫人,原名玛丽亚#戈佩特)1906年6月28
日出生于德国的上西里西亚地区(第一次世界大战后归属波兰)卡托维兹市的一个教授世家(她家前六代都是德国大学教授).她是弗里德里希#戈佩特(FriedrichGoeppert)和玛丽亚#戈佩特(MariaGoep-pert)的独生女.
1910年,小玛丽亚4岁时,父亲被任命为德国哥廷根大学医学院儿科教授,因此全家迁居到哥廷根市,哥廷根这座历史名城成了她的第二故乡.对于玛丽亚来说,这次搬迁是很幸运的,因为在她成长的年代中,哥廷根以数学和物理学而闻名于世,哥廷根大学的物理系当时正在变成促进新物理学(既现代物理学)发展的活动中心[1].这里聚集了许多著名的物理学家,如理论物理学家马克斯#玻恩(MaxBorn,1882)1970)、实验物理学家詹姆斯#弗兰克(JamesFranck,1882)1964)等著名学者就在此工作(这两个人后来都获得了诺贝尔物理学奖).1924年,玛丽亚以优异成绩考取哥廷根大学,在哥廷根大学学习物理、数学和化学.1930年,玛丽亚在玻恩和弗兰克的指导下,完成了原子结构(量子力学)博士课程,通过了博士答辩.在她答辩时,答辩委员会竟然有三位著名物理学家)))玻恩、弗兰克
收稿日期:2005-12-15
作者简介:赵继军(1981)),男,北京人,首都师范大学物理系2004级硕士生,主要从事物理学史研究.
第6期 赵继军等:迈耶夫人与核壳层模型
41
大学一个新成立的核研究所任职,他们所用的实验装置被安放在附近的国立阿尔贡国家实验室内.迈耶夫人被学校任命为志愿副教授,后来成为正教授和研究所成员,她一面在物理系任教,一面在该校刚刚成立的核研究所从事研究工作.此外,她还应美国阿尔贡国立实验室的聘请,在该室搞核物理研究.虽然核物理是一门新的学科,但她以坚强的意志和锲而不舍的钻研精神,很快便熟悉和掌握了这一专业知识.正是在这里,她创立了原子核壳层理论的概理想液滴处理.
1936年玻尔用这个模型计算核反应截面,由此说明了一些核现象.1939年玻尔和惠勒在解释重核裂变时,又用上了液滴模型.但是早期的液滴模型没有考虑核子运动,所以不能说明核的自旋等重要性质.后来加进了某些新的自由度,液滴模型又有了新的发展.
导致核壳层结构发展的一个主要动因是存在着所谓的/幻数0.在20世纪30年代,人们发现,在一念,为此,她后来获得了诺贝尔物理学奖.
1960年,迈耶夫妇赴加利福尼亚大学任教,迈耶夫人任物理学教授,丈夫任化学教授.
迈耶夫人是继居里夫人之后第二位获得诺贝尔物理学奖的女物理学家,并且是历史上第一位获得诺贝尔物理学奖的女性理论物理学家.迈耶夫人不仅在原子核结构研究上有重大建树,而且在固态理论、统计物理,尤其在相变理论研究方面也作出了举世瞩目的贡献.她是美国科学院、海德堡科学院、美国艺术与科学院院士和美国物理学会会员.她还被拉塞尔奇学院、蒙特霍尔尤克学院和史密斯学院等六所大学授予名誉博士学位.1972年2月20日迈耶夫人在圣地亚哥逝世,享年66岁.
2 迈耶夫人对核壳层结构模型的研究
正如原子模型的建立是原子物理学史中最重要的事件一样,原子核模型的建立也是原子核物理学发展中最重要的事件.
2.1 前人的工作
在研究原子核结构时,核物理学家遇到一个重大的挑战,就是如何把原子核作为一个强相互作用粒子的多体系统去探索.他们希望通过核的组成粒子的运动去了解核的结构和建立核的动力学理论,探讨制约这些粒子运动的基本相互作用力.为此,他们在实验方面通过核谱学进行各种核反应的分析、归纳和推理,在理论方面则构思各种简化的数学模型来使复杂的多体问题变得容易处理.
早在核壳层模型提出之前,1935年玻尔(N.Bohr,1885)1962)和弗伦克尔(Y.I.Frenkel,1894)1954)提出了原子核的液滴模型.他们认为,原子核每个核子的平均结合能几乎都是常量,核的结合能与核子数成正比,这显示了核力的饱和性;此外,核的体积也与核子数成正比,核的密度近似为一个常量,这又表明了原子核的不可压缩性.这些性质与液滴非常相似,因此,可以把原子核作为带电荷的
些原子核中,当质子数或中子数是所谓的/幻数02、8和20之一时,它们都将会各自构成特别稳定的系统.1933年,哈金斯(Harkins)和埃尔萨塞(Elsasser)又发现了28、50、82和126等幻数的存在,并对这些幻数进行了最早的测量和分析.这些幻数跟元素的周期性非常相似,所以显得如此奇妙,以这些幻数的中子或质子构成的组态与其他的核相比,通常显得更稳定些,而原子的壳层结构理论正是建立在这一事实基础之上的.
然而,最初的尝试却是失败的,人们根据核子的运动求解薛定谔方程,却得不到与实验相符的幻数.再加上与壳层模型截然相反的液滴模型已取得了相当的成功,使得人们很自然地对壳层模型采取否定态度.
2.2 迈耶夫人的工作
迈耶夫人对核稳定性和核模型的研究起因于宇宙起源的/小爆炸0理论,该理论是她和泰勒约在1945年为了解释元素和同位素的丰度而提出来的.1946)1947年间,在芝加哥大学进行核物理研究的迈耶夫人在泰勒的指导下,进行有关元素起源的研究,并且研究相关的宇宙模型.在检验上述模型所需要的各种数据时,她开始分析相应的元素丰度,注意到其中的某些规律性,并且使得她对幻数感到迷惑.她与泰勒发现,某些原子核拥有的同位素不仅远多于他们的理论所能解释的,而且含量丰富.这些原子核具有某些共性:高丰度元素拥有82个中子或50个中子,而82和50都是/幻数0.这意味着稳定性因素必然在元素产生的过程中扮演重要角色.
迈耶夫人很快获悉埃尔萨塞早在1933年就已经得到了类似的观察结果,并且认真阅读了他的相关文章.但是与埃尔萨塞不同,此时她拥有更多的可利用的资料,除了元素的丰度,她还研究了与幻数有关的原子核结合能、自旋和磁矩,发现越来越多的证据表明这些幻数在某些方面非常特别,对于了解核结构具有重要意义.它们暗示核内有稳定的/壳层0,
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大 学 物 理 第25卷
类似于原子中电子的壳层结构.但当时流行的观点认为核的壳层结构是不可能的,因为同约束原子中电子的长程库仑力相比核力是短程力.
尽管如此,迈耶夫人并未放弃核壳层结构的想法,仍然坚持为壳层结构寻找更多的证据(如核的B衰变和四极矩等),并尝试按照核粒子的量子力学理论寻求解释.在这时候,费米也对幻数产生了兴趣,迈耶夫人有幸自始至终都与他一起工作,并得到费米的极大鼓励与支持,同他一起进行了许多有益的的核子,迈耶夫人又假定,它们之间的剩余相互作用主要使质子或中子两两匹配成对,其总角动量为零,这样,原子核的自旋和磁矩便由最后一个奇核子决定.
213 迈耶夫人和詹森的合作
1948年,在丈夫和同事们不止一次的敦促和鼓励下,迈耶夫人撰写了一篇公开陈述她的壳层模型理论的论文[5].1950年4月,有关她工作的一篇更充实、更完整的报告发表了[6].与此同时,德国海德讨论.她还得到了丈夫的有力支持和帮助,丈夫总是从化学家的角度给她以及时的指导.从某种意义上看,对于这类现象,一个化学家的知识要比一个物理学家更实用得多.她所关注的有关核特性的分类与化学性质的分类极其相似,后者导致了经典的化合价理论的发展,而前者的基本解释存在于泡利不相容原理之中.
一天,迈耶夫人正在同费米讨论问题,碰巧费米要去接一个长途电话而要暂时离开迈耶夫人的办公室,就在门口他转回头来问道:/存在自旋与轨道耦合的相互作用吗?0[4]这个问题是研究幻数的人所从未考虑过的.正是在费米的这一启发下,迈耶夫人凭借着很好的数学和量子力学基础,特别是当时物理学家尚不熟悉的转动群理论,通过在平均场中引入较强的自旋-轨道耦合,利用核力引起的能级分裂,计算出了与实验相符的结果.这样,只用了10min,当费米返回办公室时,她已经成功地解释了全部幻数的存在.
接着,迈耶夫人继续用数学方法详细证实了上述想法.她所引入的平均场就是普通谐振子阱和方阱,只是计入了强自旋-轨道耦合力,它引起单粒子能级分裂,由此得到了单粒子的能级.她的结果与现今的全同粒子能级图非常相似.对于所引入的自旋-轨道耦合力,虽然当时从理论上还无法进一步解释,但是这一假定为以后的核力研究确定了正确的方向.她还成功地证明了如何用平均场描述核子间的短程作用,从而解决了早期核壳层模型所遇到的难题.迈耶夫人正确地指出,由于泡利不相容原理的限制,在平均场中,核子依次填充低能态.对大部分核子,特别是满壳层的核子,由于其周围的能态已经被其他核子占据,因而只要它们之间的剩余相互作用不足以使它们跃迁到未被占据的高能态上,它们就只能在相互作用后仍然留在原能态上,使它们的剩余相互作用无法表现出来,所以这些核子之间的短程相互作用可以用平均场来描述.而对满壳层外
堡大学的物理学家汉斯#詹森(J.Hans.D.Jensen,1907)1973)与哈克塞尔(O.Haxel,1909)1998)和休斯(H.E.Suess,1909)1993)共同提出了/核壳层模型具有自旋-轨道耦合特性0的理论[7].这一理论与迈耶夫人的发现不谋而合.当她获悉詹森等人也给出了相同的解释时,就更加坚定了她的信心,使她确信这种壳层模型解释的正确性.
当时,迈耶夫人和詹森彼此并不认识,直到1950年她访问德国时他们才见面.为了开展更全面的研究,她和詹森从1950年开始合作,共同研究核壳层结构,并总结出他们的研究成果.这种合作使他们相得益彰,加速了他们的研究进程.1955年,他们合作完成了5核壳层结构的基本理论6(ElementaryTheoryofNuclearShellStructure)一书[8].这本书是他们研究工作的结晶,也是他们在核物理学领域中共同树立的一座丰碑.迈耶夫人和詹森合作证明了这些幻数是如何与壳层模型中具有最大稳定性的核相对应的,他们成功的关键是在势阱中加入了自旋-轨道耦合项,核子在按壳层排列的轨道上运动,其自旋方向与它绕中心旋转方向相同或相反时,其能量是不同的,而且每个核子的自旋和轨道角动量之间存在强大的耦合,因此总能使这两种矢量趋向于平行.他们还证明了幻核及它们的近邻核应该具有的特殊的行为:幻核俘获慢中子的概率较小.他们还预言了核的角动量值,并预言在大角动量值的区域,人们应该能发现大量的核的同质异能素.后来,实验证实了他们的这些预言.
3 核壳层结构模型的影响和意义
核壳层结构的基本思想是:原子核内部的核子(质子和中子)和原子核外的电子一样,也存在壳层结构.当原子核中的核子数是幻数时,它们就正好填满一个完整封闭的壳层.每个幻数表示每一壳层所能容纳的最大核子数.具有幻数的原子核显得特别稳定,就像有满壳层电子的惰性气体其化学性质特
第6期 赵继军等:迈耶夫人与核壳层模型
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别稳定一样.
核壳层模型不仅成功地解释了原子核的幻数,而且对中子数和质子数为偶数的原子核与核子数都为奇数的原子核来说,由壳层模型得到了这些核的基态和宇称与实验相符的结果.壳层结构能成功地解释原子核的许多基本性质,如磁矩、宇称以及许多原子核低激发态等现象.
为了表彰迈耶夫人和詹森在原子核结构研究方面的重要贡献,诺贝尔奖金评奖委员会将1963年物识,往往指派她研究一些次要课题.然而,这些次要的课题未能禁锢她的聪明才智.她不论做什么都全力以赴,干则必成.正是靠着这种永远进取的精神,她最终摘取了荣誉的桂冠,成为蜚声世界的女科学家.
纵观迈耶夫人的成功,我们可以得到如下启示.首先,迈耶夫人热爱科学.迈耶夫人曾说过:/如果你热爱科学,那么你真正想做的就是继续一心工作.诺贝尔奖虽然使你激动不已,但是它并没有改变理学奖的一半授予迈耶夫人和詹森;另一半授予了在原子核与基本粒子研究上作出重大贡献的美籍匈牙利物理学家维格纳.在授奖仪式上,瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖评奖委员会委员沃勒(I.Waller)教授对迈耶夫人和詹森的研究成果给予了高度评价,他说:/戈佩特#迈耶和詹森教授在核壳层模型方面的研究成果,使人们对原子核结构有了新的认识.它标志着人类在原子核特性相互作用的研究上又取得了极为重大的进展.它将激励着人们对原子核进行更深入、更广泛的研究.0在致词中,沃勒教授还对两位获奖者说道:/你们独立开始的、后来又合作进行的关于壳层模型的研究工作,重新解释了原子核的结构,并在核性质的相互关系中取得了非常惊人的进步.你们的工作激励着新的研究工作日益增强,而且对于后来原子核物理的实验和理论工作也是必不可少的.0[9]
4 结束语
迈耶夫人在科学上取得如此卓越的成就决非易事.尽管在科学研究方面迈耶夫人表现出极高的才能,但在职业经历方面,迈耶夫人并不顺利,并随着迈耶先生的工作变动而变动.她的一生有坦途,也有曲折.她具有一切有造诣的名家大师那种百折不挠的精神,遇坦途不松劲,遭坎坷不气馁,在通往科学高峰的道路上总是勇往直前.在她生活的那个时代,德国旧的传统势力还很顽固,女子上大学不是件容易的事.在她准备考大学时,德国又出现了通货膨胀,哥廷根仅有的一所供女生准备考大学的私立中学也关了门.但她还是靠着自己的努力,冲破了那个时代的种种阻力,以优异成绩考取德国著名的哥廷根大学,实现了她早年的抱负.在研究事业上,她也是屡遭挫折,备尝艰辛.她初到美国时,正值大萧条时期,没有一个大学愿意录用她这位/教授的妻子0.有一段时间,她甚至找不到工作.搬到哥伦比亚大学后,她所在的SAM实验室主任尤里对她也并不赏
任何事情.0[2]
正是由于她对科学的热爱,以及强烈的事业心,才促使她能够在30年无薪任教的大学科研工作中坚持下来,并且全身心地投入到多领域的研究之中.
其次,迈耶夫人在父母和家庭的熏陶下,从小就树立了远大的理想,立志做一番事业,而不甘于/永远只做一个女人0.
再次,迈耶先生对迈耶夫人始终如一的支持,鼓舞着她几十年投身于科学研究的事业上.正是这种支持,使她得以不断研究和进取,并撰写了多篇有关核物理学的文章,为建立原子核壳层理论作出了贡献.最后,迈耶夫人一直处在像哥廷根大学、芝加哥大学和阿尔贡国立实验室这样优越的学术环境中,众多的理论和实验大师对她的研究都产生了深远的影响.多年来,她始终是一位辛勤的园丁,受人推崇和尊敬.她的健康状况长期以来一直不佳,1972年2月20日,她与世长辞,终年66岁.这一消息使她的朋友和同事们震惊不已,维格纳在谈到她时说:/她虚怀若谷,朴实无华,品格可爱,酷爱事业,这使她赢得了大家的爱戴0.[10]为了纪念迈耶夫人,1985年美国物理学会设立了玛丽亚#戈佩特-迈耶奖(Goeppert-MayerAward),专门用以表彰在科学上取得重要成就的女性青年物理学家.
[11]
值此迈耶夫人诞辰100周年之际,纪念迈耶夫人,缅怀她对现代物理学的贡献,可以激励后人尤其是众多具有才华的女性献身科学和实现服务社会的愿望.
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(下转51页)
第6期 盛嘉茂等:对突破工科近代物理教学一个瓶颈问题的探讨
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51
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Abottleneckinmodernphysicsteachingforengineeringstudents
SHENGJia-mao
1,2
,MOWen-ling,WEIHuan
22
(11UndergraduateCourseDepartment,InstitudeofQingdaoBinhai,Qingdao,Shandong266555,China;
21InformationCollege,HebeiPolytechnicUniversity,Tangshan,Hebei063009,China)
Abstract:Thecontentofquantummechanicsshouldbereinforcedinuniversityphysicsteachingbecauseof
itsproportionisverysmall.Thebottleneckinquantummechanicsfoundationalteachingisoperatorandtherela-tionbetweeneigenvalueofoperatorandprobabilitydistributionofdynamicalvariables.Theauthors.newtext-bookandteachingpracticebreakingthroughthebottleneck.
Keywords:universityphysics;quantummechanicsfoundationalteaching
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MrsMayerandshellmodeloftheatomicnucleus
ZHAOJ-ijun,CHENGang,LIUShu-yong
(DepartmentofPhysics,CapitalNormalUniversity,Beijing100037,China)
Abstract:MrsMayer.slifeandhermaincontributionstothedevelopmentofphysicsarereviewed.Wede-scribehowshestartedfrommagicnumbers,thensetuptheshellmodelofatomicnucleus.Thispaperexploresthereasonsforhersuccessanddiscusseswhatinspirationwecandrawfromher.
Keywords:MrsMayer;shellmodelofatomicnucleus;magicnumbers;spin-orbit-coupling