i když standardní model fyziky je široce věřil, že zcela popsat složení a chování jádra, generování předpovědi od teorie je mnohem obtížnější, než pro většinu ostatních oblastech fyziky částic. To je způsobeno dvěma důvody:
- v zásadě může být fyzika uvnitř jádra odvozena zcela z kvantové chromodynamiky (QCD). V praxi jsou však současné výpočetní a matematické přístupy pro řešení QCD v nízkoenergetických systémech, jako jsou jádra, extrémně omezené., Je to způsobeno fázovým přechodem, který se vyskytuje mezi high-energie kvarkové hmoty a nízkou spotřebou energie hadronic ohledu na to, která činí perturbative techniky nepoužitelné, takže je obtížné vytvořit přesné QCD-odvozený model síly mezi nukleony. Současné přístupy jsou omezeny buď na fenomenologické modely, jako je potenciál Argonne V18 nebo chirální efektivní teorie pole.
- i když je jaderná síla dobře omezena, je zapotřebí značné množství výpočetního výkonu k přesnému výpočtu vlastností jader ab initio., Vývoj v mnoho-tělo teorii učinil to možné, pro mnoho nízké hmotnosti a relativně stabilní jádra, ale další zlepšení v obou výpočetní výkon a matematické přístupy jsou nutné dříve, než těžká jádra, nebo vysoce nestabilní jádra lze řešit.
historicky byly experimenty porovnány s relativně hrubými modely, které jsou nutně nedokonalé. Žádný z těchto modelů nemůže zcela vysvětlit experimentální údaje o jaderné struktuře.
jaderný poloměr (R) je považován za jedno ze základních veličin, které musí každý model předpovědět., Pro stabilní jádra (ne halo jader nebo jiné nestabilní zkreslené jader) jaderná poloměr je zhruba úměrný třetí odmocnina z hmotnostní číslo (A) z jádra, a to zejména v jádrech obsahují mnoho nukleony, jak se zařídit ve více sférické konfigurace:
stabilní jádro má přibližně konstantní hustotu a tedy jaderný poloměr R lze aproximovat pomocí následujícího vzorce,
R = r 0 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}
, kde A = Atomová hmotnostní číslo (počet protonů Z a počet neutronů N) a r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10-15 m., V této rovnici se“ konstanta “ r0 mění o 0,2 fm, v závislosti na daném jádru, ale to je méně než 20% změna z konstanty.
jinými slovy, balení protonů a neutronů v jádře dává přibližně stejné celkové velikosti výsledek jako balení tvrdé kuličky konstantní velikost (podobně jako kuličky) do pevné kulovité nebo téměř kulovité sáčku (někteří stabilní jádra nejsou zcela kulaté, ale je známo, že být prolate).,
Modely jaderné struktury patří :
Liquid drop modelEdit
Rané modely jádra viděn jádro jako rotující kapaliny drop. V tomto modelu, kompromis elektromagnetických sil dlouhého dosahu a relativně jaderných sil krátkého dosahu, společně způsobují chování, které připomínalo povrchové napětí v kapalných kapkách různých velikostí., Tento vzorec je úspěšný vysvětlit řadu důležitých jevů z jádra, jako jejich měnící se množství vazebná energie jako jejich velikost a složení se mění (viz semi-empirické hmoty vzorec), ale to nevysvětluje zvláštní stabilitu, která nastane, když jádra mají zvláštní „kouzlo čísel“ protonů nebo neutronů.
podmínky v semi-empirické hmotnosti vzorce, které mohou být použity k přiblížit vazebná energie mnoha jádry, jsou považovány za jako součet pěti druhů energií (viz níže)., Pak obrázek jádro jako kapku nestlačitelné kapaliny zhruba účty pro pozorované variace vazebná energie jádra:
Objem energie. Když je sestava nukleonů stejné velikosti zabalena do nejmenšího objemu, má každý vnitřní nukleon určitý počet dalších nukleonů, které jsou s ním v kontaktu. Takže tato jaderná energie je úměrná objemu.
povrchová energie. Nukleon na povrchu jádra interaguje s méně jinými nukleony než jeden ve vnitřku jádra, a proto je jeho vazebná energie menší., Tento termín povrchové energie to bere v úvahu, a proto je negativní a je úměrný ploše povrchu.
Coulombova energie. Elektrická odpuzování mezi každou dvojicí protonů v jádru přispívá ke snížení jeho vazebné energie.
asymetrie energie (také volal Pauli energie). Energie spojená s Pauliho vylučovacím principem., Bylo to ne pro Coulomb energie, nejvíce stabilní forma jaderné hmoty by mít stejný počet neutronů jako protonů, protože nerovné počty neutronů a protonů znamenat plnění vyšší energetické hladiny pro jeden typ částic, přičemž nižší energetické hladiny volných pro jiný typ.
párovací energie. Energie, která je korekční termín, který vychází z tendence protonových párů a neutronových párů. Sudý počet částic je stabilnější než liché číslo.,
Shell modely a jiné kvantové modelsEdit
řada modelů pro jádra byly také navrženy, v nichž nukleony obsazují orbitaly, stejně jako atomové orbitaly v atomové fyzice teorie. Tyto vlny modely představte si, že nukleony být buď nemají stanovenou velikost bodové částice v potenciální studny, nebo jiného pravděpodobnost, vlny jako v „optické model“, probíhalo hladce obíhající ve vysoké rychlosti v potenciálních vrtů.,
ve výše uvedených modelech mohou nukleony zabírat orbitaly v párech, protože jsou fermiony, což umožňuje vysvětlení sudých/lichých efektů Z A N známých z experimentů. Přesnou povahu a kapacity jaderných granátů se liší od těch elektronů v atomové orbitaly, především proto, že potenciální no, v nichž nukleony pohybují (zejména ve větších jader) je zcela odlišný od centrální elektromagnetický potenciál, který se váže elektrony v atomech., Nějakou podobnost k atomový orbital modely může být viděn v malé atomové jádro jako, že helium-4, ve kterém dva protony a dva neutrony samostatně obsadit 1s orbitaly obdobou 1s orbitalu dva elektrony v atomu helia, a dosáhnout neobvyklé stability pro stejný důvod. Jádra s 5 nukleony jsou extrémně nestabilní a krátkodobá, přesto je helium-3 se 3 nukleony velmi stabilní i při nedostatku uzavřeného orbitálního pláště 1s. Další jádro se 3 nukleony, Triton vodík-3 je nestabilní a při izolaci se rozpadne na helium-3., Slabá jaderná stabilita s 2 nukleony {NP} v orbitalu 1s se nachází v deuteronu vodíku-2, pouze s jedním nucleon v každé z proton a neutron potenciál studny. Zatímco každý nucleon je fermionem, {NP} deuteronu je bosonem, a tudíž se neřídí Pauliho vylučovací úzké balení do skořápky. Lithium-6 se 6 nukleony je vysoce stabilní bez uzavřeného druhého 1p skořepinového orbitalu. U lehkých jader s celkovým počtem nukleonů 1 až 6 pouze ty s 5 nevykazují žádné důkazy o stabilitě., Pozorování beta-stabilitu lehkých jader mimo uzavřené mušle naznačují, že jaderná stabilita je mnohem složitější, než jednoduché uzavření shell orbitaly s magickými počty protonů a neutronů.
Pro větší jádra, skořápky obsazené nukleony začít se výrazně liší od elektronové orbitaly, ale přesto, přítomnost jaderných teorie předpovídají, magická čísla naplněné jaderné munice pro oba protony a neutrony. Uzavření stabilních skořepin předpovídá neobvykle stabilní konfigurace, analogické ušlechtilé skupině téměř inertních plynů v chemii., Příkladem je stabilita uzavřeného pláště 50 protonů, což umožňuje cínu mít 10 stabilních izotopů, více než jakýkoli jiný prvek. Podobně, vzdálenost od shell-uzavření vysvětluje neobvyklý nestabilní izotopy, které mají daleko od stabilní množství těchto částic, jako jsou radioaktivní prvky, 43 (technecium) a 61 (promethium), z nichž každý je předchází a následuje 17 nebo více stabilních prvků.
existují však problémy s modelem shellu, když je proveden pokus o zohlednění jaderných vlastností daleko od uzavřených skořápek., To vedlo ke komplexní post hoc narušení tvaru potenciál tak, aby se vešly experimentálních dat, ale otázkou zůstává, zda tyto matematické manipulace skutečně odpovídají prostorových deformací v reálném jádra. Problémy s shell model vedly některé navrhnout realistické dvě těla a tři-tělo jaderná síla účinky zahrnující nucleon klastrů, a pak budovat jádro na tomto základě. Tři takové modely clusteru jsou Model rezonující skupinové struktury z roku 1936 Johna Wheelera, úzce zabalený Model Spheron Linus Pauling a model 2D Ising společnosti MacGregor.,
Konzistence mezi modelsEdit
stejně Jako v případě supratekutého kapalného helia, jádra atomů jsou příkladem státu, v němž oba (1) „obyčejné“ částice fyzikální pravidla pro objem a (2) non-intuitivní kvantové mechanické pravidla pro vlnu-jako příroda aplikovat. V supratekutého helia, helium atomy mají objem, a v podstatě „touch“ každý jiný, ale ve stejné době vykazují podivné hromadné vlastnosti, v souladu s Bose–Einsteinova kondenzace., Nukleony v atomových jádrech také vykazují vlnovou povahu a postrádají standardní vlastnosti tekutin, jako je tření. Pro jádra z hadronů, které jsou fermiony, Bose-Einsteinova kondenzace nenastane, ale přesto, mnoho jaderných vlastnosti lze vysvětlit pouze tím, že podobně jako kombinace vlastností částic s objemem, kromě tření pohyb charakteristické vlny-jako chování objektů v pasti v Erwin Schrödinger kvantové orbitaly.