Atomic nucleus - Genshikaku

Japanese: 原子核 - げんしかく

A substance that exists at the center of an atom, consisting of nucleons (protons and neutrons) and a cloud of mesons. Nuclei that contain not only nucleons but also heavy particles such as Λ (lambda) particles and Σ (sigma) particles have been artificially created and studied. These are called hypernuclei. Also, because nucleons are made of quarks, nuclei are sometimes studied as many-body systems of quarks. The number of protons is represented by Z , the number of neutrons by N , and the sum of the number of protons and neutrons by A. A is called the mass number. Nuclei with small mass numbers A are called light nuclei, and nuclei with large mass numbers A are called heavy nuclei.

A nucleus with proton number Z and Z electrons forms a neutral atom. The chemical properties of an element are determined by the electrons in the atom, so the proton number Z determines the chemical properties of the element. Nuclei with the same Z but different N are called isotopes, and nuclei with the same N but different Z are called isotopes. The chemical properties of isotope elements are the same. The nucleus of element name X is represented by . Z and N are often omitted. , , , are called deuterons, tritium, helions, and α (alpha) particles, respectively. ⁴ The existence of the hypernucleus ΣHe was theoretically predicted by Harada Toru (1962- ) in 1987 (Showa 62), and its existence was experimentally confirmed in 1998 (Heisei 10). As of 2011, the existence of 40 hypernuclei has been confirmed.

[Hajime Tanaka and Ikuyoshi Kato]

Discovery of the Atomic Nucleus

In 1909, Rutherford, Geiger, and Ernest Marsden (1889-1970) bombarded gold foil and other metal foils with alpha particles and found that the alpha particles were sometimes reflected back to the incident side. In 1911, Rutherford analyzed this phenomenon and showed that there must be a core with an extension of ^10-13 centimeters at the center of the atom. This marked the beginning of the discovery of the atomic nucleus. Nagaoka Hantaro proposed the Saturn-shaped structure of the atom in 1904 (Meiji 37), but Rutherford pointed out in a 1911 paper that Nagaoka's model was a noteworthy one. Later, in 1932, Ivanenko and Heisenberg proposed that the atomic nucleus is composed of neutrons and protons.

[Hajime Tanaka]

Nuclide

An atom with a nucleus determined by Z and N is called a nuclide. However, the term nuclide is often used to refer to an atomic nucleus. Some nuclei are stable, while others are unstable and can change into other nuclei. There are about 300 stable nuclei, and 2975 nuclei have been discovered as of 2010. Unstable nuclei naturally have a lifetime (time of existence). In order for a nucleus to be considered to exist, there is a minimum lifetime. This value must be considerably greater than the period of quantum vibration of the nucleon in the nucleus. If we take 10 ^-21 seconds as a guideline, the number of neutron-proton systems that meet this condition will far exceed the number of nuclei currently discovered. The nucleus of uranium has a Z of 92, the highest Z of any naturally occurring nucleus. Nuclei with a Z greater than 92 are called transuranium elements, and as of 2011, it has been reported that nuclei with Z up to 118 have been artificially created, but only 112 have been confirmed. In 2004, Kosuke Morita (1957- ) and his colleagues at the RIKEN Institute announced that they had synthesized an element with Z = 113, and confirmation of this is awaited. It is an interesting question whether or not nuclides with large mass numbers exist. Neutron stars can also be considered as supermassive atomic nuclei, where gravity plays a major role. The ratio of N to Z in stable nuclides is equal up to an A of about 40, but is about 1.6 in the vicinity of uranium.

Even if the mass number A is the same, nuclei with more neutrons or protons than stable nuclei will emit electrons and antineutrinos, or positrons (antielectrons) and neutrinos, and transition to a stable nuclide. This phenomenon is called beta decay. Nuclei with a large Z will emit alpha particles and transition to a nuclide with a mass number four smaller. This is called alpha decay. When a nucleus transitions from a high energy state (excited state) to a lower energy state, it generally emits gamma rays, but sometimes an electron within the atom will fly out instead of gamma rays. This is called internal conversion.

[Hajime Tanaka and Ikuyoshi Kato]

Shape of the nucleus

Most atomic nuclei are spherical, rugby ball-shaped, or tangerine-shaped. The latter two are so-called spheroids with an axis of symmetry. When the radius along the axis of symmetry is larger than the radius perpendicular to it, the nucleus is rugby ball-shaped, and when it is smaller, the nucleus is tangerine-shaped. The electric quadrupole moment Q is used to express the degree to which the shape of the nucleus deviates from a sphere. In a rugby ball shape, Q is positive, and in an tangerine shape, Q is negative. The shape of ¹⁷⁵ Lu (lutetium 175) deviates significantly from a sphere, with the ratio of the semimajor axis to the semiminor axis reaching 1.38. Figure A shows a stable nucleus in cross section.

[Hajime Tanaka]

Nuclear Density

There are two types of density in an atomic nucleus: charge density and mass density. Charge density is determined by the charge density of the proton itself and the distribution of the protons, while mass density is determined by the distribution of neutrons and protons. The two density distributions are almost equal. The density of an atomic nucleus is almost the same for all nuclei, at 3 x ¹⁰¹⁴ grams per cubic centimeter. This is called density saturation. The boundary around the nucleus is relatively clear, and the density is almost constant from the center to the boundary, and suddenly becomes zero at about 2 femtometers (symbol: fm; 1 femtometer is ^10-15 meters) ( Figure B ). The shape of the atomic nucleus, or its density distribution, can be found in various ways. A stream of high-energy electrons is bombarded with the nucleus, and the results are analyzed to estimate the approximate size and shape of the nucleus. A similar estimation can also be made by measuring the energy of a negative μ (mu) meson as it orbits inside an atom. The density of an atomic nucleus is the same for all nuclei, so the radius of a spherical atomic nucleus is proportional to the cube root of the mass number, which is (1.1 to 1.2) femtometers. In the late 1980s, it became possible to artificially create neutron-rich nuclei and study their properties. Tanihata Isao (1947- ) and others discovered that the lithium-11 (3 protons, 8 neutrons) nucleus has an abnormally large nuclear radius, and demonstrated the existence of a low-density region called a neutron halo, in which neutrons extend outward. In 2002, Yamazaki Toshimitsu (1934- ) and Akaishi Yoshinori (1941- ) theoretically predicted the existence of a hypernuclear state with a density 10 times higher than normal, and in 2004 this was confirmed by an experiment at the High Energy Accelerator Research Organization (KEK) of the Institute of Physical and Chemical Research.

[Hajime Tanaka and Ikuyoshi Kato]

Bond Energy

A large amount of energy must be applied to break apart an atomic nucleus. This energy indicates the degree of nuclear binding, and is called the binding energy. According to the theory of relativity, the binding energy can be calculated from the difference between the total mass of the broken nucleons and the mass of the atomic nucleus. The result is roughly proportional to the mass number A , and is about 8 million electron volts per nucleon. The fact that the binding energy of a single nucleon is independent of the nuclide is called energy saturation ( Figure C ). Nuclei are similar to liquids in that their density and energy are saturable, and in the early stages of nuclear research, the liquid-drop model, which views atomic nuclei as liquid droplets, was proposed.

[Hajime Tanaka]

Nuclear angular momentum and magnetic moment

A nucleus always has a fixed angular momentum. If I is an integer or half integer (integer + 1/2), quantum mechanics gives us the magnitude:

where ħ is 1/2π, the Planck constant.

The nucleons themselves have a magnetic moment, but another magnetic moment also arises from the electric current caused by the motion of the protons. The magnetic moment of the nucleus is the sum of these two,
e ħ/2 Mc (5.050951× ^10-24 erg/gauss)
It is measured in units of . Figure D shows the I and magnetic moment as a function of the mass number of the nuclide.

[Hajime Tanaka]

Nuclear Structure

Since atomic nuclei are in a quantum state, their energy can take on discrete values. The lowest energy state is called the ground state, and the other states are called excited states. The structure of atomic nuclei is studied by measuring the spin I of each state, the parity (+ or -), and the rate at which the excited state moves to another state, i.e., the transition probability.

It is believed that the structure of atomic nuclei can be understood from the properties of nucleons and mesons and the interactions between them, but initially attempts of this kind were successful only when A was 4 or less or infinity. In recent years, with the advancement of computers, it has become possible to calculate nuclei with larger A , and to investigate the structure of nuclei with A = 12 or less. However, for nuclei with A greater than 12, models are used for research.

In the independent particle model, nucleons move independently within a nucleus, and their state is determined only by the action of the average potential that permeates the entire nucleus. Because of the Pauli principle, two or more nucleons cannot occupy the same state, nucleons occupy successively lower energy states. If the energy values of these states are divided into groups of several adjacent nucleons, i.e., they show a shell structure, then the nucleus is stable when all the nucleons in the group occupy all the states. Nuclei with 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126 neutrons and protons, respectively, are stable, and these numbers are called magic numbers. Mayer and Jensen theoretically derived the magic numbers in 1949 by adding a term proportional to the product of the orbital angular momentum and the spin angular momentum to the average potential of the independent particle model. This is called the shell model. The shell model is a basic model that allows us to better understand phenomena based on the individual states of nucleons in a nucleus.

In atomic nuclei, many nucleons move cooperatively to cause the whole nucleus to move. Examples are rotational and vibrational motions, and this type of motion is called collective motion. Typical rotational motions are seen in nuclei of 150 A, 190, and 220 A , while vibrational motions appear in other nuclei with A that are not too small. A combination of rotational and vibrational motions also appears in excited states. In the A40 region and at high energies, a cluster model has been proposed and studied, which considers the nucleus to consist of relatively independent parts, such as treating some excited states of carbon-12 as the motion of three alpha particles. In the region of light nuclei, this model is often more effective than the shell model. In this century, it was theoretically shown that ⁸ Be has a structure of two alpha particles arranged in a dumbbell shape, using real nuclear forces rather than a model, as the interaction between nucleons. The surface of the atomic nucleus is in a so-called superconducting state. If we overlook this fact, we will not be able to fully understand the structure of the atomic nucleus.

[Hajime Tanaka and Ikuyoshi Kato]

Nuclear reactions

When elementary particles, gamma rays, or other atomic nuclei with a mass greater than that of electrons collide with matter, these particles collide with nuclei within the atom. The same is true for electrons with energy that is not impeded by the electrons within the atom. The phenomenon that occurs at this time is called a nuclear reaction or a nuclear reaction. For example, if a deuteron d is collided with a target nucleus of ¹⁶ O, a neutron n may be torn off by the target nucleus and a proton p may fly off. The nuclear reaction in this case is written as ¹⁶ O(d, p) ¹⁷ O. In the 1980s, especially since around 1985, collisions between atomic nuclei have been studied in detail. This is called a heavy ion reaction. Research into heavy ion reactions was aimed at producing transuranium elements, but around 1985 it became aimed at studying neutron-rich nuclei. Nuclear reactions are studied by measuring how the rate at which a reaction occurs varies depending on the type of reaction and the incident energy.

There are many types of nuclear reactions. When the type of atomic nucleus and its state (ground state) remain unchanged before and after the collision, it is called elastic scattering, and in other cases, it is generally called a reaction (in the narrow sense). Among the reactions, the reaction of ¹⁶ O(d, p) ¹⁷ O mentioned above is called stripping, and the reverse process is called picking up. ⁴ He( ³ H, n) ⁶ Li is a two-nucleon transfer reaction. Among nuclear reactions, there are those in which the incident particle collides with only one or two nucleons in the target nucleus, and those in which the state of the entire target nucleus changes. The former are called direct reactions. In the latter case, the incident particle and the target nucleus form a quasi-stationary nucleus during the reaction, and the reaction proceeds by the decay of this quasi-stationary nucleus. This quasi-stationary nucleus is called a compound nucleus, and the reaction in this case is called a compound nucleus reaction. Compound nucleus reactions often proceed as resonance phenomena.

In either case, the incident or emitted particle is subjected to the action of the entire atomic nucleus during the incident or emitted state. This action can be expressed as a complex potential, or optical potential.

When high-energy heavy ions collide with atomic nuclei, the heavy ions break down into unstable nuclei with different numbers of neutrons and protons than stable nuclei. Furthermore, by colliding these unstable nuclei with stable nuclei again, various properties of unstable nuclei can be investigated.

Heavy ion reactions are a new field of research into high energy nuclei and nuclei with large mass numbers. Because the total electrostatic energy of the protons in the nucleus is proportional to Z2 , near-uranium and transuranium nuclei split into roughly ^two , either spontaneously or by absorbing a neutron. This is the nuclear fission that was first discovered in 1938, and it is well known that it is a nuclear reaction that extracts the energy of the nucleus.

[Hajime Tanaka and Ikuyoshi Kato]

Development of nuclear research

Until around 1960, atomic nuclei were thought to be physical systems consisting of a limited combination of protons and neutrons. However, experimental research on extremely short-lived unstable nuclei has progressed since the late 1980s, and as a result, atomic nuclei with structures that deviate from the conventional idea of nuclei with three protons and eight neutrons, such as ¹¹ Li, have begun to be studied. Furthermore, high-intensity proton accelerators have been built, and experimental research on hypernuclei, which are composed of one or two Λ and Σ particles, has progressed. As a result, it has gradually been recognized that the field of atomic nuclei is a broader field than previously thought. Accordingly, it is expected that the physical picture of atomic nuclei will become more diverse. It is likely that the cluster structure of atomic nuclei will become an important part of such a physical picture. Japan has made significant experimental and theoretical contributions to these recent research trends.

[Hajime Tanaka and Ikuyoshi Kato]

"The World of Atomic Nuclei" by Kikuchi Masashi (1973, Iwanami Shinsho) " ▽ "Nuclear Physics" by Sugimoto Kenzo and Muraoka Mitsuo (1988, Kyoritsu Shuppan) " ▽ "Nuclear Physics" by Nagae Tomofumi and Nagamiya Masaharu, edited by Abe Ryuzo and Kawamura Kiyoshi (2000, Shokabo)" ▽ "Theory of Atomic Nuclei" by Ichimura Munetake, Sakata Fumihiko and Matsuyanagi Kenichi (2001, Iwanami Shoten)" ▽ "Theory of Nuclear Structure" by Takada Kenjiro and Ikeda Kiyomi (2002, Asakura Shoten)" ▽ "Theory of Nuclear Reactions" by Kawai Mitsuji and Yoshida Shiro (2002, Asakura Shoten)" ▽ "History of Modern Physics 1: Elementary Particles, Atomic Nuclei and the Universe" edited by the Asakura Physics Series Editorial Committee (2004, Asakura Shoten)"

Cross section of a stable atomic nucleus (Figure A)
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Cross section of a stable atomic nucleus (Figure A)

Density distribution of atomic nuclei (Figure B)
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Density distribution of atomic nuclei (Figure B)

Binding energy and mass per nucleon (Figure C)
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Binding energy and mass per nucleon (Fig. C…

Angular momentum and magnetic moment of atomic nuclei (Fig. D)
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Angular momentum and magnetic moment of atomic nuclei (Figure D…

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

原子の中心に存在する物質で、核子（陽子および中性子）と中間子の雲から成り立っている。核子だけでなく、Λ(ラムダ)粒子やΣ(シグマ)粒子などの重粒子を含む原子核が人工的につくりだされて研究されている。これをハイパー核という。また核子がクォークからできているので、原子核はクォークの多体系として研究されることもある。陽子の数をZ、中性子の数をN、陽子と中性子の数の和をAで表す。Aを質量数という。質量数Aの小さな原子核を軽い核、大きな原子核を重い核とよぶ。

　陽子数Zの原子核はZ個の電子とともに中性の原子をつくる。元素の化学的性質は原子内電子によって決まるので、陽子数Zは元素の化学的性質を定める。Zが同じでNの異なる原子核をアイソトープ、Nが同じでZの異なる原子核をアイソトーンという。アイソトープの元素の化学的性質は同じである。元素名Xの原子核をで表す。ZとNを省くことが多い。, , , を、それぞれ重陽子（ジュウテロン）、三重陽子（トリチウム）、ヘリオン、α(アルファ)粒子とよぶ。⁴ΣHeというハイパー核は原田融(とおる)（1962―　）がその存在を1987年（昭和62）に理論的に予見したが、1998年（平成10）に実験的にその存在が明らかになった。2011年時点で、40個のハイパー核の存在が確認されている。

［田中　一・加藤幾芳］

原子核の発見

1909年、ラザフォード、ガイガーおよびマースデンErnest Marsden（1889―1970）は、金箔(きんぱく)をはじめ種々の金属箔にα粒子を衝突させ、α粒子が入射側に反射する場合があることをみいだした。1911年、ラザフォードはこの現象を分析して、原子の中心に10^-13センチメートルの広がりをもつ芯(しん)が存在しなければならないことを示した。これが原子核の発見の端緒であった。長岡半太郎は1904年（明治37）に原子の土星型構造を提起したが、ラザフォードは1911年の論文で長岡の模型が注目すべき模型であることを指摘した。その後1932年にイワネンコとハイゼンベルクは、原子核が中性子と陽子とからなっていることを提言した。

［田中　一］

核種

ZとNで定まる原子核をもつ原子を核種という。しかし原子核をさして核種ということが多い。核種のなかには、安定なものと、不安定で他の核種に変化していくものとがある。安定な核種は約300であり、2010年までにみいだされた核種の数は2975である。不安定核には当然、寿命（存在時間）がある。原子核が存在するとみなすためにはその寿命に最小値がある。その値は原子核の核子の量子振動の周期よりも相当程度大きな値でなければならないであろう。その目安として10^-21秒をとれば、この条件を満たす中性子と陽子の系の数は現在みいだされている核種の数をはるかに超える数となる。ウランの原子核はZが92で、天然にみいだされる原子核中Zがもっとも大きい。Zが92を超える原子核を超ウラン元素といい、2011年時点で118まで人工的につくりだされたと報告されているが、確認されたものは112までである。2004年（平成16）、理化学研究所の森田浩介（1957―　）らがZ＝113の元素を合成したと発表し、その確認が待たれている。大きな質量数をもつ核種が存在するか否かは興味ある問題である。中性子星は超巨大原子核ともみなすことができるが、ここでは重力が大きな役割を演じている。安定な核種のNとZの比はAが40程度まで等しいが、ウラン近傍では1.6くらいになる。

　質量数Aが同じでも、安定な核種より中性子または陽子が過剰な原子核は、電子と反中性微子、あるいは陽電子（反電子）と中性微子を放出して安定な核種に移る。これらの現象をβ崩壊(ベータほうかい)という。また、Zの大きい原子核はα粒子を放出して、質量数が4だけ小さい核種に移る。これをα崩壊という。また原子核がエネルギー的に高い状態（励起状態）からより低い状態に移るとき、一般にγ(ガンマ)線を放出するが、γ線のかわりに原子内の電子が飛び出ることがある。これを内部転換という。

［田中　一・加藤幾芳］

原子核の形

大部分の原子核は球形、あるいはラグビーのボール形か、ミカン形をしている。後の二者はいわゆる対称軸をもつ回転楕円(だえん)形である。対称軸の方向の半径がこれに直角な方向の半径よりも大きいときはラグビーのボール形、小さいときはミカン形となる。原子核の形が球状からずれている程度を表す量として電気四重極モーメントQを用いる。ラグビーボール形ではQが正、ミカン形ではQが負である。¹⁷⁵Lu（ルテチウム175）の形は球状から著しくずれており、長半径と短半径の比は1.38に及ぶ。図Aは安定な原子核を断面の形で図示したものである。

［田中　一］

原子核の密度

原子核の密度には荷電密度と質量密度の二つがある。荷電密度は陽子自身の荷電密度と陽子の分布の仕方で決まり、質量の密度は中性子と陽子の分布で決まる。二つの密度分布はほぼ等しい。原子核の密度はどの核種に対してもほぼ等しい値、1立方センチメートル当り3×10¹⁴グラムである。これを密度の飽和性という。原子核の周辺は境界が比較的明瞭(めいりょう)で、中心部から境界近くまでほぼ密度が一定で、約2フェムトメートル（記号はfm。1フェムトメートルは10^-15メートル）の間で急にゼロとなる（図B）。原子核の形すなわち密度分布はさまざまな方法でみいだすことができる。高エネルギーの電子の流れを原子核に衝突させ、その結果を解析して原子核の大きさや形の大体を推測する。また負のμ(ミュー)中間子が原子の中に入って軌道運動を行っているときのエネルギーを測定しても、同じような推測を行うことができる。原子核の密度はどの核種に対しても同じであるため、球状原子核の半径は質量数の立方根に比例し、（1.1～1.2）フェムトメートルとなる。1980年代後半、中性子過剰核を人工的につくり、それらの原子核の性質を調べることができるようになった。谷畑勇夫(たにはたいさお)（1947―　）らはリチウム11（陽子3、中性子8）核が異常に大きな核半径をもつことを発見し、中性子が外側に広がった中性子ハローとよばれる密度の薄い部分が存在することを示した。2002年（平成14）に山崎敏光(としみつ)（1934―　）と赤石義紀(よしのり)（1941―　）が、通常の値よりも10倍の密度をもつハイパー核の状態が存在することを理論的に予見し、2004年にこのことが理化学研究所・高エネルギー加速器研究機構の実験で確かめられた。

［田中　一・加藤幾芳］

結合エネルギー

原子核をばらばらの状態にするには多量のエネルギーを与えねばならない。このエネルギーは原子核の結合の程度を示しており、結合エネルギーという。相対性理論によれば、結合エネルギーはばらばらになった核子の総質量と原子核の質量の差から求めることができる。その結果はほぼ質量数Aに比例しており、1個の核子当り約800万電子ボルトである。1個当りの核子の結合エネルギーが核種によらないことをエネルギーの飽和性という（図C）。密度とエネルギーが飽和性を有する点で原子核は液体と共通しており、原子核研究の初期には原子核を液滴とみる液滴模型が提唱された。

［田中　一］

原子核の角運動量と磁気モーメント

原子核はつねに定まった角運動量を有している。Iを整数または半整数（整数＋1/2）とすると量子力学の計算から、その大きさは

で与えられる。ħはプランク定数の1/2πである。

　核子自身も磁気モーメントをもっているが、このほか陽子の運動による電流からも磁気モーメントが生じる。原子核の磁気モーメントはこの二つの和であって、
　　eħ/2Mc（5.050951×10^-24エルグ/ガウス）
を単位にして測る。図DはIと磁気モーメントを核種の質量数に対して示したものである。

［田中　一］

原子核構造

原子核は量子的状態にあるためそのエネルギーはとびとびの値をとる。エネルギー最低の状態を基底状態、その他の状態を励起状態という。各状態のスピンI、パリティ（＋または－）、励起状態から他の状態に移っていく割合すなわち転移確率などを測ることによって原子核の構造を研究する。

　原子核の構造は、核子と中間子の性質、およびこれらの間の相互作用から理解しうると考えられるが、この種の試みは当初Aが4以下および無限大の場合にしか成功していなかった。近年はコンピュータの進展に伴って、Aが大きな原子核まで計算できるようになり、A＝12以下の原子核の構造を調べられるようになってきた。しかし、Aが12より大きい原子核については、模型を導入して研究している。

　独立粒子模型では、核子が核内を独立に運動しており、その状態はただ核全体に広がる平均ポテンシャルの作用を受けて定まるようになっている。パウリの原理のため2個以上の核子が同じ状態を占めることができないので、核子はエネルギーの低い状態から一つずつ順に占めていく。もしこれらの状態のエネルギー値が、それぞれ近接した数個ずつのグループに分かれ、すなわち殻(かく)構造を示していれば、核子がグループの状態全部を占めた核は安定である。中性子、陽子の数がそれぞれ2、8、20、28、50、82、126の核種は安定であって、この数をマジック・ナンバー（魔法の数）という。独立粒子模型の平均ポテンシャルに軌道角運動量とスピン角運動量の積に比例した項を付加して、メイヤーとイェンゼンが1949年にマジック・ナンバーを理論的に導いた。これを殻模型という。殻模型は核内核子の個々の状態に基づく現象をよく理解させる基本的な模型である。

　原子核は、多数の核内核子が協力的に運動して核全体の運動を行うことがある。回転運動、振動運動がその例で、この種の運動を集団運動という。150A190, 220Aの核には典型的な回転運動が、Aのあまり小さくないこのほかの核には振動運動が現れる。また励起状態には回転運動と振動運動の組合せが現れる。またA40の領域やエネルギーの高いところでは、炭素12の一部の励起状態を3個のα粒子の運動として扱うように、原子核を相対的に独立した部分から成り立つと考えるクラスター模型が提唱され、研究されている。軽い核の領域ではこの模型が殻模型より有効な場合が少なくない。今世紀になって、核子間の相互作用として模型でなく現実の核力を用いて⁸Beが亜鈴(あれい)型に並んだ2個のα粒子という構造をとっていることが理論的に示された。なお原子核の表面はいわゆる超伝導状態になっている。このことを見落とすと、原子核の構造を十分に理解することはできない。

［田中　一・加藤幾芳］

原子核反応

電子よりも大きな質量をもつ素粒子やγ線または他の原子核を物質に衝突させると、これらの粒子などは原子内の原子核に衝突する。原子内電子に妨げられない程度のエネルギーをもつ電子の場合も同様である。このときの現象を原子核反応または核反応という。たとえば、¹⁶Oを標的核とし、これに重陽子dを衝突させると、中性子nが標的核にもぎ取られて陽子pが飛んで行くことがある。この場合の核反応を¹⁶O(d, p)¹⁷Oと記す。1980年代とくに1985年ごろから原子核どうしの衝突が詳しく研究されている。これを重イオン反応という。重イオン反応の研究は超ウラン元素の生成を目的としていたが、1985年ごろから中性子過剰核の研究を目的とするようになった。原子核反応の研究は、その反応のおこる割合が反応の種類や入射エネルギーによってどのように変わるかを測定して行う。

　核反応には多くの型がある。衝突前後の原子核の種類とその状態（基底状態）が変わらないときを弾性散乱、これ以外の場合を一般に反応（狭義の）という。反応のうち、既述の¹⁶O(d, p)¹⁷Oの反応をストリッピング、この逆過程をピックアップという。⁴He(³H, n)⁶Liは二核子移行反応である。核反応のなかには、入射粒子が標的核内の1、2個の核子とのみ衝突するものと、標的核全体の状態変化を伴う反応とがある。前者を直接反応という。後者の場合、反応の途中で入射粒子と標的核とが準定常的な核を形成し、この準定常核の崩壊という形で進行する反応がある。この準定常核を複合核、このときの反応を複合核反応という。複合核反応は共鳴現象として進行することが多い。

　これらのいずれの場合にも、入射粒子や放出粒子は、入射・放出の際に原子核全体の作用を受ける。この作用は複素ポテンシャルすなわち光学ポテンシャルで表すことができる。

　高エネルギーの重イオンが原子核に衝突すると重イオンが壊れて、中性子数と陽子数が安定な原子核と異なる不安定な原子核がつくられる。さらに、この不安定原子核を安定核に再び衝突させることによって、不安定核のさまざまな性質が調べられる。

　重イオン反応は、原子核の高エネルギー状態や質量数の大きい核種を研究する新しい領域である。核内陽子の全静電エネルギーがZ²に比例するため、ウラン近傍および超ウラン核は自発的に、あるいは中性子を吸収して、ほぼ二つに分裂する。これが1938年に初めてみいだされた核分裂であって、原子核のエネルギーを外に取り出す原子核反応であることはよく知られている。

［田中　一・加藤幾芳］

原子核研究の発展

1960年ごろまでは原子核は陽子と中性子の限られた組合せの物理系であると思われてきたが、きわめて短い寿命の不安定核に対する実験的研究が1980年代後半から進展し、これによって¹¹Liのように陽子3個と中性子8個という従来の通念からはみだした原子核の構造も研究されるようになってきた。さらに、大強度陽子加速器をつくって、1個または2個のΛ粒子およびΣ粒子が構成要素となるハイパー核の実験研究が進展してきている。この結果、原子核という領域は従来考えられてきたよりも広い領域であることがしだいに認識されてきた。これに伴い、原子核の物理像も多彩になっていくのではないかと思われる。原子核のクラスター構造もそのような物理像のなかの重要な部分になっていくのではなかろうか。このような最近の研究動向に対する日本の実験的および理論的寄与は大きい。

［田中　一・加藤幾芳］

『菊池正士著『原子核の世界』（1973・岩波新書）』▽『杉本健三・村岡光男著『原子核物理学』（1988・共立出版）』▽『阿部龍蔵・川村清監修、永江知文・永宮正治著『原子核物理学』（2000・裳華房）』▽『市村宗武・坂田文彦・松柳研一著『原子核の理論』（2001・岩波書店）』▽『高田健次郎・池田清美著『原子核構造論』（2002・朝倉書店）』▽『河合光路・吉田思郎著『原子核反応論』（2002・朝倉書店）』▽『朝倉物理学大系編集委員会編『現代物理学の歴史1　素粒子・原子核・宇宙』（2004・朝倉書店）』