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本文用弹性磁电子散射和宇称不守恒电子散射研究原子核的结构。电子散射是探测原子核结构的有力工具。电子散射有以下几个突出的优点:1.电子与原子核之间可以发生电磁相互作用和弱相互作用,这些相互作用的机制是已知的;2.电子是轻子,因此在散射过程中对原子核的扰动很小;3.电子与原子核中的电荷密度、流密度和弱荷密度耦合,因此测量的物理量是明确的。弹性电子散射可分为宇称守恒的电子散射和宇称不守恒电子散射。宇称守恒的电子散射(包括库仑散射和磁散射)只考虑电子和原子核之问的电磁相互作用,宇称不守恒电子散射考虑了弱相互作用的影响。根据电弱相互作用的标准模型,电子与原子核之间既可以交换光子发生电磁相互作用也可以交换Z0介子发生弱相互作用。宇称不守恒来源于电磁散射振幅和弱散射振幅之间的干涉。磁电子散射可用于探测奇-A核价核子的单粒子波函数,宇称不守恒电子散射可用于测量原子核的中子密度。目前,新一代电子.重离子对撞机正在建造。日本RIKEN的实验装置具有两个存储环,其中一个可以存储高能电子束,另一个可以存储放射性离子束。因此,可以用于探测放射性奇特核的结构。德国GSI也在建造电子散射的实验装置。宇称不守恒电子散射的实验装置是现成的。近年来随着电子加速器和探测器技术的发展,宇称不守恒电子散射的实验条件已经成熟。预计不久就会实现对稳定核的宇称不守恒电子散射实验。我们也希望在新一代电子散射实验装置上实现对奇特核的宇称不守恒电子散射实验研究。为了给将来的实验提供有用的参考,有必要先从理论上研究电子与奇特核的散射和宇称不守恒电子散射。不久前,我们组把电子散射的相对论Eikonal近似与相对论平均场结合起来成功地研究了电子对奇特丰质子核的库仑散射。本文我们做了进一步的发展:一方面,我们把相对论平均场与磁电子散射结合起来研究奇特核的基态组态;另一方面,我们把相对论Eikonal近似推广到宇称不守恒电子散射。我们编写了平面波玻恩近似下的相对论磁电子散射和Eikonal近似下的宇称不守恒电子散射的Fortran程序。此外,我们还研究了速度相关力对奇-Z核磁形状因子的影响。我们推导了速度相关力对磁形状因子贡献的公式,并编写了相应的Fortran程序。
目前,奇特核结构的信息主要由强相互作用探针提供。相互作用截面、反应截面和弹性质子散射都能提供奇特核物质分布的信息。敲出反应和核子转移反应能提供奇特核基态组态和价核子单粒子波函数的信息。然而,由于强相互作用的复杂性和不确定性,对实验数据的理论解释依赖于核反应模型。例如,近年来23O的基态组态引起了激烈的争论。因此,需要寻找一种新的模型无关的实验方法来研究奇特核的基态组态。弹性磁电子散射是一个很好的选择,因为它可以准确测量奇-A核的价核子波函数。为了计算磁形状因子我们选择相对论平均场模犁来计算单粒子波函数,并编写了相对论磁电子散射程序。为了检验程序的精度我们计算了17O和41Ca的磁形状因子,理论与实验符合得很好。然后,我们计算了23O、15,17,19C、49,59Ca和17F处于不同组态的磁形状因子。结果表明对某一原子核当价核子处于不同轨道时磁形状因子差别很大。因此,我们可以得出结论,磁电子散射可以用来鉴定奇特核的基态组态。
强自旋—轨道耦合是原子核壳模型成功的关键,由于规范不变性自旋—轨道势将会对质子产生一个附加的相互作用,这一项通常称为速度相关力。Mayer和Jensen在把自旋—轨道耦合引入壳模型以后就研究了速度相关力对奇—Z核磁矩的影响。结果表明虽然速度相关力对磁矩的贡献可以使理论值更靠近实验值,但是它的贡献比实验和理论之间的差别小得多。众所周知,磁矩是M1磁形状因子的长波极限。尽管速度相关力对磁矩的贡献很小,我们仍然不知道它对磁形状因子的贡献是否可以忽略。我们推导了速度相关力对磁形状因子和磁矩贡献的表达式。我们导出的磁矩公式与Mayer和Jensen得出的完全相同,尽管方法不同。可见,我们得出的速度相关力对磁形状因子的贡献的表达式是对的。为了简单起见,我们采用谐振子波函数来计算27Al、51V和93Nb的磁形状因子。结果表明在中小动量转移区速度相关力对磁形状因子的贡献与正常形状因子相比可以忽略,而在大动量转移区速度相关力的贡献大于正常形状因子。
质子和中子密度是原子核的基本性质。准确的质子和中子密度对核物理有深远的影响。许多稳定核和长寿命核的质子密度已经由高能电子散射实验准确测出。这些原子核的质子密度应用非常广泛。比如,可以用于拟合平均场的等效相互作用。然而,到目前为止原子核的中子密度主要由强相互作用探针测量。由于强相互作用的复杂性和不确定性,测得的中子密度依赖于所用的模型,误差较大。因此寻找一种新的模型无关的测量中子密度的手段是很重要的。1989年Donnelly等提出可以用宇称不守恒电子散射准确测量中子密度。从此,宇称不守恒电子散射引起了广泛的注意。宇称不守恒电子散射的观测量是宇称不守恒不对称度,它定义为左手和右手电子散射截面之差与散射截面之和的比。在Eikonal近似下我们计算了Ca的同位素链、N=50同中子素链和N=Z双幻核的宇称不守恒不对称度。计算中所用的质子和中子密度由相对论平均场给出。结果表明宇称不守恒不对称度对质子与中子的密度差敏感。当质子和中子的密度分布在原子核的表面差别很大时宇称不守恒不对称度的振幅就会很大,反之就很小。我们还通过比较中子和质子的形状因子来分析宇称不守恒不对称度的行为。我们发现宇称不守恒不对称度的振幅随着质子和中子形状因子的极小点之间距离的增大而增大。既然质子和中子的形状因子描述质子和中子密度分布的形状,我们得出的结论是宇称不守恒不对称度对中子和质子密度分布形状上的差异敏感。因此,宇称不守恒电子散射可以用来鉴定丰中子稳定核表面的中子分布类型。近年来,反质子原子实验表明,丰中子稳定核,例如124Sn,的表面存在中子晕而不是中子皮。对于这两种类型的分布,原子核表面的中子密度差别很大。因此,可以用宇称不守恒电子散射来鉴别丰中子稳定核表面的中子分布类型。我们以124Sn为例分析了两种分布类型的丰中子稳定核的宇称不守恒不对称度。我们发现,皮型分布原子核的宇称不守恒不对称度振幅远大于晕型分布的振幅。因此,一旦有了实验结果人们就可以直接从宇称不守恒不对称度振幅的大小来判断丰中子稳定核表面中子的分布类型。我们的结果可以对将来的实验提供有用的参考。