足夠高的高溫可以「融化」原子核嗎？

01-08

要回答這個問題，一定程度上要摳字眼，因為直接從概念上來說是不可能的，「融化」這個詞特指冰、雪變到水的一個過程。不過題主應該是想用「熔化」這個詞，這表示由固態到液態的一個相變過程。不過很可惜的是，這些詞都是描述一些宏觀的物質現象，雖然其本質由微觀性質決定，但是也只微觀到原子或者分子的層次，還達不到原子核的級別。那麼這個問題就到此為止了嗎？

當然不是！我們可以從相對宏觀的熔化現象中抽象出來一個更底層的概念，那就是相變（朗道相變理論）：相變是指系統從一個穩定的狀態變化到另外一種穩定的狀態的過程，這個過程通常都可以用某個量來指示，相變過程就對應著這個量的值的變化，這個量叫做相變的序參數。所以我們主要討論原子核是否能夠有某種相變。需要說明的是，原子核屬於強相互作用系統，雖然描述強相互作用我們已經建立了量子色動力學（QCD），但是對於低能系統比如質子中子原子核並無法給出解析的描述，實際上大家都會選用某種低能有效模型，所以以下的討論也是基於低能有效模型的。

1、強相互作用與QCD相圖

我們都知道原子核由質子和中子構成，質子和中子又分別有三個夸克組成，這其中還有強相互作用的媒介粒子膠子傳遞強力。經典的一些關於原子核的圖像，就是一堆球構成的，如下圖所示：

原子核

但是這也只是經典的認識圖像，實際上原子核裡面到底是什麼樣子，目前還沒有什麼好的理論能給出定量的解釋。原子核屬於QCD系統，所以原子核的相變實際就是QCD物質能有哪些可能的相變。

對於一個體系可能的相變，或者說可能有哪些相結構，一般都是通過相圖來描述的，比如說水的相圖：

水的相圖

對於QCD系統也是有一個類似的相圖：

QCD 相圖

上圖橫坐標是重子數化學勢，可以認為是夸克的數量（正夸克數減去反夸克數）；縱坐標是溫度。我們的世界大部分處於溫度接近於零的區域（與QCD特徵能標相比），但是還是有不少的重子的。實際上原子核所處的位置在相圖中（ $Tapprox 0Mev,mu approx 900Mev$ ）左右，即圖中的Nuclear Matter（核物質）處。

圖中還有的相有：

強子氣（Hadron Gas）：這個相類似於氣體，但是這股氣體由強子（質子中子等）組成
色超導態（Color Superconductor）：這個類似於我們所熟知的「電流超導」，只不過這地方導的不是電荷，而是強相互作用的「色荷」
夸克膠子等離子體（Quark-Gluon Plasma，QGP）：這個態也是類似於電的等離子體態。這個態是最有趣的。低能的QCD有兩個非常特殊的性質：夸克禁閉和手征對稱性自發破缺。前者使得在低能下夸克不能單獨的存在，只能相互之間形成重子（比如質子和中子）或者介子（比如π介子），後者使得強子有非常大的質量（因為構成質子的三個夸克自己的質量只有5Mev左右，但是質子大約有1000Mev）。但是在QGP這個態，這兩個性質都消失了：夸克可以單獨存在獨立運動，手征對稱性也恢復了，沒有強子了，一切都變成了一鍋粥。

既然有這麼多的相存在，那麼原子核能發生相變就是肯定的了。加熱和增加密度都是可行的方案，視想要變到的相而定。如果對原子核只加熱，也就是從上圖中的Nuclear Matter那個點往上移動，溫度加一點的時候，核物質就變成強子氣了，然後繼續加熱，大約在溫度加到150Mev左右就能變成夸克膠子等離子體了。所以，從這個意義上說，足夠高的溫度可以熔化原子核！

我們再來看看其他的過程。如果沿著縱軸加熱，也就是沒有重子數化學勢。這時候是指系統中的正反物質數量相等，不斷產生不斷湮滅，維持著一個動態平衡。隨著溫度升高，最終也能到達夸克膠子等離子體。實際上，大家相信這就是早期宇宙的狀態（早期宇宙的凈重子數為零）。

也可以沿著橫軸增加重子數化學勢，這時候溫度為零。化學勢很大的時候也會發相變，變到色超導態。實際上，在中子星內部很有可能就是這樣的一種狀態。中子星是完全由中子組成的星體，其中心處由巨大的引力引起的壓力會形成高重子數化學勢，因此就有可能出現色超導態。

2、實驗

既然題主說到了溫度，那麼我們考慮的就是一個熱力學系統。那麼如何給原子核加溫呢？這個

那肯定是不行的了。實際上的「原子核加熱器」是這樣子的：

這樣子：

以及這樣子的：

這就是傳說中的「對撞機」（實際上要完成這樣一個完整的過程需要加速器、對撞機和探測器三部分）。「加熱」的一瞬間是這樣子的：

當然，對撞機能做的實驗有很多，強子對撞只是其中之一，而且，QCD 相結構的探索也只是強子對撞實驗的其中一個目標而已。

3、一點點的理論計算和模擬

那麼這些如何通過理論來預測呢？上文中提到過，這樣的相變一般都是會有一個叫做序參數的量來指示。手征對稱性由破缺到恢復這個相變可以選用手征凝聚（對應著在質子中的夸克的質量）來指示。具體的公式和計算細節就不表了，不是做這個方向的一般也看不懂。直接把計算的結果放在下面：

首先考慮零化學勢的情況，給系統升溫：

可以看到，隨著溫度的上升，序參數是逐漸減小的，當溫度升高到某一個臨界值 $T_{c}$ ，在這裡大約是 $200Mev$ ，序參數突然變成零（或者接近於零）。然後考慮題主問的問題，給原子核加熱，此時相當於給系統加上 $900Mev$ 的化學勢，變化如下

在結構上與上圖是完全一樣的，只不過相變溫度變低了很多。這個結果與QCD相圖也是吻合的。這樣就算是從理論計算上回答了題主的問題。

四、說在最後

雖說以上的內容說的好像非常完美，但是實際上大部分的內容並不是確定，QCD 相圖的結構更多的是通過各種有效模型和模擬加上部分的實驗拼湊起來的，實際情況是不是這樣目前誰也不好說。有很多實驗正在或將要進行這方面的測量，在最終的完整的實驗結果出來之前，上述的大部分內容都只是理論或者假設。不過實驗結果會在最近幾年就能出來。

另外，相圖中的那些態，看起來和生活中的一些與電荷有關的狀態類似，但是實際上差別很大，這些態到底是什麼樣子，我們無法通過經驗來想像，或者說這些都是完全無法想像的，即使在對撞機里我們重現了這些場景，探測器檢測到的也是最終冷卻下來的核物質，對於中間的過程也只能通過數據來理解。換句話說，要想理解這些過程數學是必要的手段。

上一個回答

你的意思是核聚變？

溫度越高，粒子平均平動能越大。。

差不多就是粒子對撞吧，原子核應該可以

你應該問多高的溫度能熔化質點

還有我學物理這麼多年也不知道什麼叫融化，只聽說過熔化和溶化。

看到這個問題第一反應是，這不是當然不行嗎？

然後仔細一看，看到某個關注的物理人士關注了這個問題，那麼這個問題肯定不簡單。

首先，什麼叫"足夠高的高溫"，這裡就有待討論。

然後，這個"融化"，到底是"熔化"，還是"融化"，這裡又值得商榷。

最後，看到"原子核"三個字，這就要涉及核物理的內容了，原子核里究竟有什麼? 原子核怎樣算融化? 會不會涉及qcd?……

綜上所述，這個問題太難了，還是請大佬來回答。 @子乾 @lyounger

宏觀的溫度不過就是微觀下那些無序微粒亂竄的動能...

或許我說的不完全對。但也好歹搞清下融化怎麼回事吧……

不會的，融化這個概念用不到原子核這個級別，你覺的恆星塌縮後的中子星的溫度和壓力算不算大，那就是高溫高壓後原子核聚在一起的樣子。

溫度是分子熱運動的體現吧。從單個分子以下級別的微觀上來說不能用溫度這個概念，只能說是一種運動。

融化原子核我理解為轉化為中子質子或者夸克之類的粒子。

目前不存在單純溫度作用下使一個宏觀的本身穩定的物質原子核改變。但是從微觀上說，高速撞擊是有可能的。

宏觀上，宇宙中有些天體是可以的通過高壓使原子核改變的（比如太陽），這種過程伴隨高溫，但這種高溫是因變數，不是自變數。

沒有經過專業學習，如有錯誤請指出。輕噴

溫度不就是平均分子動能么？和亞原子結構也有關係?

融化是分子級別之上的現象

不說原子核了，原子都做不到