原子核物理中的协变密度泛函理论

文章介绍了原子核协变密度泛函理论的历史发展、理论框架、对原子核基态和激发态的描述以及在一些交叉学科领域的应用。首先,通过回顾原子核物理研究中的几个重要里程碑并结合二十一世纪原子核物理面临的机遇和挑战,对当前核物理的研究热点和重要课题进行了介绍。随后系统介绍了原子核协变密度泛函理论,内容包括协变密度泛函理论的历史发展、一般理论公式、介子交换模型、点耦合模型、交换项、张量相互作用、物理观测量的计算公式等。协变密度泛函理论的应用包括原子核基态性质和激发态性质的描述以及在核天体物理与标准模型检验中的应用。其中,基态性质包括原子核结合能、半径、单粒子能级、共振态、磁矩、晕现象等。激发态性质包括原子核磁转动、低激发态性质、集体转动、量子相变、集体振动等。在核天体物理与标准模型检验的应用中,主要以核纪年法测算宇宙年龄和Cabibbo-Kobayashi-Maskawa矩阵的幺正性检验等为例,介绍协变密度泛函理论在交叉学科领域的应用。

基于协变密度泛函理论的258Fm诱发裂变动力学研究

采用基于协变密度泛函理论的含时生成坐标方法研究了^(258)Fm低能诱发裂变动力学性质,重点探讨了裂变位能曲面、裂变碎片总动能分布和碎片质量分布等。研究表明,^(258)Fm位能曲面中存在显著的对称裂变谷,因而其低能裂变碎片总动能分布与质量分布均呈单峰结构,且随剪裂线判据Q_(n)(脖子处粒子数)从4减至1,碎片总动能分布变窄,碎片质量分布的峰值从9.88%增至10.28%。此外,随初态激发能从8.3 MeV增至17.3 MeV,碎片质量分布峰值从9.88%降至8.55%。

协变密度泛函对钍224势能曲面研究

原子核物理研究对国防、能源、医学、工业等领域具有重要意义,其中势能曲面是研究是裂变静力学研究的重要方面,本文采用点耦合密度泛函理论计算了224Th的势能曲面,讨论了其相关性质。

基于协变密度泛函理论的“镭之谜”探索

采用点耦合的协变密度泛函理论和四极-八极集体哈密顿量方法,本文研究了镭区偶偶核和偶奇核δV_(pn)的性质.结果表明,考虑静态形变和集体涨落对于理论重现镭区偶偶核实验数据有重要意义.具体来说,八极形变自由度的引入极大地改变了N=134,136,140的δV_(pn)曲线点.这样的改变可以从镭核与氡核在(β_2,β_3)平面上的形状演化进行理解.从微观层次来看,在单粒子能级费米面附近存在N=132和Z=88两个能级间隙,间隙之上各有两条具有相似能量的能级.另一方面,采用协变密度泛函理论研究了镭区奇A核δV_(pn)的性质.仅仅考虑静态形变,还不能较好地重现奇A镭核的δV_(pn)实验数据.八极形变自由度的引入也改变了奇A镭核的δV_(pn)的变化趋势.基于协变密度泛函理论,"镭之谜"不仅与八极形变自由度有关,与集体涨落也有关.

协变密度泛函理论对原子核磁矩的研究

原子核磁矩是原子核最重要的物理观测量之一,它反映了原子核结构的重要信息,本文回顾了原子核磁矩的理论研究进展,特别是协变密度泛函理论的研究进展,并分别介绍了其对球形奇A核和形变奇A核磁矩的描述.对球形奇A核,首先以^(16)O和^(40)Ca附近具有LS闭壳核芯加减一个核子的奇A原子核磁矩为例,讨论了奇时间场的贡献.其次,基于点耦合相互作用的协变密度泛函理论,并考虑相应的奇时间场、单π介子交换流、一阶和二阶组态混合效应的修正,研究了jj闭壳核^(208)Pb附近原子核^(209)Pb,^(207)Pb,^(209)Bi和^(207)T1的磁矩.对于形变奇A原子核,以^(33)Mg为例,利用包含时间分量的相对论平均场理论和组态固定的形变约束方法,研究其内禀磁矩.最后,对原子核磁矩的协变密度泛函理论研究进行了展望.

格林函数协变密度泛函理论及其应用

文章简要介绍了格林函数协变密度泛函理论及其对奇特原子核结构的研究进展.首先,文章简要回顾了奇特原子核的研究现状和传统理论处理连续谱遇到的问题.随后,系统介绍了格林函数协变密度泛函理论的基本公式,包括格林函数的相对论平均场(GF-RMF)近似和格林函数相对论连续谱Hartree-Bogoliubov(GFRCHB)等,详细给出了利用格林函数方法求解径向Dirac方程和RCHB方程的相关公式.最后,介绍了格林函数协变密度泛函理论的应用,包括利用GF-RMF理论研究原子核单粒子共振态,给出共振态的能量和宽度以及利用GF-RCHB理论研究丰中子Zr同位素的巨晕现象,给出密度空间分布的弥散性质以及对晕现象起着重要作用的共振态的能量和宽度等.

协变密度泛函理论中的张量力效应

张量力是核子-核子相互作用的重要成分,被认为是理解奇特原子核中壳结构演化规律的关键要素。然而,目前对于核介质中的张量力及其效应的定量认识,仍存在很多亟待解决的关键问题。着重梳理了在原子核密度泛函理论框架下,研究有效相互作用中的张量力成分以及相应的张量力效应的相关工作,重点包括:基于相对论Hartree-Fock理论,以同位素链中的质子幻数壳演化为例,定量提取与分析其中的张量力效应;以及基于第一性原理的相对论Brueckner-Hartree-Fock理论,以中子滴单粒子能谱中的自旋-轨道劈裂演化为例,提出与张量力效应相关联的"准实验数据"。最后,展望原子核密度泛函理论今后可能的发展策略。

基于协变能量密度泛函的^(250)Cf诱发裂变动力学研究

在基于相对论能量密度泛函的自洽框架下,分析了^(250)Cf低能诱发裂变的动力学过程。基于能量密度泛函PC-PK1和δ对力,在轴对称四极和八极形变的集体空间中进行了含约束的相对论平均场计算,以确定裂变核的位能面、剪裂线、单核子波函数、能量以及轨道占据几率。在高斯重叠近似下,用含时生成坐标方法描述了诱发裂变动力学。将裂变过程描述为完全由微观单核子自由度决定的集体薛定谔方程在时间上绝热传播,通过将集体哈密顿量的第一个本征态进行激发建立初态。研究了^(250)Cf的集体波函数在四八极空间的含时演化,给出了诱发裂变下裂变碎片的质量分布。

原子核链式α结团结构及其动力学的协变密度泛函理论研究

本文回顾了基于协变密度泛函理论研究原子核链式α结团结构及其动力学的现状.协变密度泛函理论以核子为基本自由度,可以自洽地给出具有α结团现象的原子核链式结团结构.结合推转平均场方法,相关研究揭示了碳同位素链式结团结构中自旋和同位旋的相干效应.随着转动频率的增加,中子的σ轨道(平行于对称轴的轨道)的能量在科氏力作用下降低,进而被价中子占据,预示着链式结构更容易在丰中子原子核的高角动量态中发现.类似的现象同样出现在丰质子的3α和4α链式结团结构中,并且价质子能在更低的角动量下占据质子的σ轨道.三维格点空间的协变密度泛函理论研究表明:转动频率在2.0–3.5 MeV区间内,12C中的链式结团结构是位能面上的极小,表现出对弯曲运动和裂变的稳定性.进一步,含时协变密度泛函理论给出了^(4)He+^(8)Be和^(4)He+^(10)Be共振散射形成^(12)C和^(14)C链式结团结构的动力学过程,并发现价中子的动力学同位旋效应减缓了结团的纵向振荡,使得形成的^(14)C链式结团结构有更长的寿命.

变形核中的晕现象与形状退耦合

随着放射性核束物理的快速发展,在远离β稳定线的原子核中发现或者预言了很多奇特核结构现象,包括变形晕、变形晕核中形状退耦合等。对这些奇特核现象的研究是当前核物理的重要前沿领域。协变密度泛函理论是目前最为成功的用于描述原子核结构性质的理论模型之一。本文介绍基于协变密度泛函理论对变形晕核研究的结果和进展。考虑连续谱效应的形变相对论Hartree-Bogoliubov理论实现了变形晕核的微观自洽描述并预言了镁-44中的变形晕和核芯与晕的形状退耦合现象。之后,该理论还被用于研究硼和碳等同位素链原子核中的变形晕现象。基于该理论的角动量投影计算表明:在变形晕核的低激发转动态中依然存在晕现象以及形状退耦合现象。

同位旋标量对力对^(42)Ca中自旋-同位旋跃迁的影响

本文利用相对论准粒子无规相位近似(Quasiparticle Random Phase Approximation,QRPA)模型研究了高斯型同位旋标量对力对原子核^(42)Ca中β−方向的伽莫夫-泰勒(Gamow-Teller,GT)和自旋-偶极(Spin-dipole,SD)跃迁的影响。结果表明:同位旋标量对力对于恢复SU(4)对称性从而重现实验上42Ca的低能量超级GT态至关重要。同位旋标量对力会使自旋反转的跃迁组分混合进入低能量GT态,从而增强低能量GT态的集体性,极大地增加其跃迁强度。同时,由于同位旋标量对力具有吸引性质,会减小低能量GT态的激发能。对于SD跃迁,同位旋标量对力对其激发能和跃迁强度的影响均不明显。

核子有效质量同位旋劈裂中的交换项效应

为探究核子有效质量同位旋劈裂的物理机制,采用基于密度依赖的相对论Hartree-Fock(DDRHF)的PKA1有效相互作用,系统地计算了核子有效质量,并着重讨论了其同位旋劈裂相关的交换(Fock)项效应。研究表明:在低密度丰中子核物质中,中子的非相对论有效质量比质子的大,该趋势在0.8倍饱和密度附近出现反转,而中子的相对论有效质量总比质子的大;在低密度时,同位旋标量(s+w)与同位旋矢量(r+p)耦合道的交换项在有效质量及其相关k质量的同位旋劈裂中起关键作用,随着密度增加,由于同位旋矢量耦合道的耦合常数随密度以指数形式衰减,同位旋标量耦合道交换项变得更加重要;而对e质量的同位旋劈裂,总是同位旋标量耦合道的交换项起决定性作用,有效质量及其相关k质量与e质量的能量依赖性也主要由同位旋标量耦合道的交换项决定;可见,有效质量的同位旋劈裂与交换项所引入的非局域平均场密切相关,同位旋标量耦合道交换项的作用尤其突出。

奇特原子核新转动模式探索

针对最新观测的新转动模式,特别是Wobbling运动,采用基于协变密度泛函理论(CDFT)的核芯-准粒子耦合模型(CQC)研究奇中子核105Pd低激发谱,Wobbling频率等物理量,讨论Wobbling运动的微观机制。

64Ni原子核的形状共存研究

原子核的形状共存研究,近些年一直是原子核的研究热点之一。形状共存对于理解原子核是以怎样的形态存在至关重要。这篇文章我们通过协变密度泛函计算了64Ni的集体势能面(Vcoll)。并通过五维集体哈密顿量(5DCH)计算了其能谱和波函数。64Ni的集体势能面在平均场计算中得到近球形和长椭的形状共存,其中0+4态和2+6态与最近实验结果相符,为长椭形,是独立的一条带,与其它带之间有很少的混合,这个和势能面给出的结果也是相符的。最后我们通过波函数的计算也充分反映了上面的事实。

^(186,188Pb)能曲面和低激发谱的微观分析

本文采用基于协变密度泛函理论的五维集体哈密动量模型计算了^(186,188Pb)的位能曲面和激发谱,分析了^(186,188Pb)可能存在的低能长椭、扁椭以及球形多形状共存的现象。同时,我们也计算了186Pb低激发谱,强的带间ρ(E0)混合进一步验证了核186Pb存在明显的长椭、扁椭以及球形多形状共存的现象。

A-60和A-80质量区原子核磁转动研究进展

近年来,人们在很多原子核中发现了具有强M1跃迁、较弱E2跃迁的磁转动结构,这已经成为原子核高自旋态的研究热点.通过在束γ谱学实验,北京大学实验核物理研究组在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器和南非iThemba国家实验室回旋加速器上先后开展了对A-80和A-60质量区原子核磁转动结构的研究.在^(75)As、^(79)Se和^(62)Cu核中发现了高激发磁偶极带结构,利用基于协变密度泛函理论的倾斜轴推转模型分析了它们的结构特点.研究表明,^(75)As和^(79)Se核中磁偶极带的角动量形成机制不同于传统的磁转动剪刀机制,随着转动频率的增加,它们只有中子角动量J_(ν)向总角动量方向出现了较大角度的闭合,而质子角动量J_(π)基本上保持不动,总角动量的倾斜角出现了一个较大的变化(向x轴方向闭合).这种只有一个剪刀片闭合的角动量形成机制被形象地称为订书机机制.

超重核性质与合成机制的理论研究

探索原子核的电荷与质量极限,合成长寿命超重核是当前原子核物理研究的重要前沿问题之一。本文综述了我们近几年在超重原子核结构性质与合成机制方面取得的理论研究进展。在结构性质方面,利用处理对关联的粒子数守恒方法,基于推转壳模型,系统研究了锕系核与超镄核低激发谱,发展了多维形状约束的协变密度泛函理论并用于研究锕系核势能面和裂变位垒以及N=150同中子素中的非轴对称八极关联等。在超重核合成机制方面,系统研究了利用重离子熔合反应合成超重核的三步过程,包括俘获过程——提出了一个位垒穿透概率新公式、熔合过程——提出了一个基于动力学形变势能面的双核模型、存活过程——系统研究了激发态超重复合核存活概率等。系统研究了合成超重核的热熔合反应,得到的熔合蒸发截面与实验符合,并预言了合成119和120号超重元素的生成截面。

费米海与狄拉克海中的单粒子态--从球形核狄拉克方程说起

在原子核的协变密度泛函理论中,核子的运动方程——狄拉克方程是核心内容之一.本评述结合球形核中核子狄拉克方程的数值求解,讨论费米海与狄拉克海中单粒子态及若干相关的物理问题.首先以打靶法为例较为详细地介绍在坐标空间中求解狄拉克方程的过程,以伍兹-萨克森基(包括薛定谔-伍兹-萨克森基和狄拉克-伍兹-萨克森基)展开方法为例介绍在基空间中狄拉克方程的求解方法.完备性的条件要求狄拉克-伍兹-萨克森基空间不仅要包括费米海中的正能量态,而且要包括狄拉克海中的负能量态.因此,需要把单粒子态的研究从正能量态拓展到负能量态.结合负能量态的研究,介绍与这些负能量态对应的反核子谱中存在的自旋对称性及其起源.

相对论Hartree-Fock理论中的核物质对称能

文章回顾了利用相对论Hartree-Fock理论研究核物质对称能的一些相关工作.首先简要介绍了新发展的密度依赖的相对论Hartree-Fock理论描述核物质体系的理论框架.随后从三个方面总结了相对论Hartree-Fock理论中的对称能物理,包括交换项对增强对称能的密度依赖性所起的作用,超子引起的交换项效应对于对称能的额外软化作用,以及提取对称能中的自洽张量力效应等.最后,讨论了通过约束对称能的密度依赖行为改进理论模型的一点建议.

类重整化群方法研究相对论对称性的进展

本文概述了类重整化群方法研究相对论对称性的一些进展,分别在球形和轴对称情况下,给出了理论的推导过程.在协变密度泛函理论框架下,应用类重整化群方法把Dirac哈密顿量转换成了对角形式,分解出了非相对论、动力学、自旋轨道耦合、Darwin和动能的相对论修正等5个有物理意义的组分算符,并用这个算符探究了相对论对称性的起源和破缺机制.结果表明:自旋对称性几乎完全归因于自旋轨道耦合,而赝自旋对称性与非相对论项、动力学项和自旋轨道耦合都相关.