selvom standardmodellen for Fysik antages bredt at beskrive kernens sammensætning og opførsel fuldstændigt, er generering af forudsigelser fra teori meget vanskeligere end for de fleste andre områder af partikelfysik. Dette skyldes to grunde:
- i princippet kan fysikken i en kerne udelukkende udledes af kvantekromodynamik (.cd). I praksis er de nuværende beregningsmæssige og matematiske tilgange til løsning af .cd i lavenergisystemer som kernerne imidlertid ekstremt begrænsede., Dette skyldes den faseovergang, der opstår mellem højenergi-kvarkmateriale og lavenergi-hadronisk stof, hvilket gør forstyrrende teknikker ubrugelige, hvilket gør det vanskeligt at konstruere en nøjagtig modelcd-afledt model af kræfterne mellem nukleoner. Nuværende tilgange er begrænset til enten fænomenologiske modeller såsom Argonne v18-potentialet eller chiraleffektiv feltteori.
- selvom kernekraften er godt begrænset, kræves en betydelig mængde beregningskraft for nøjagtigt at beregne egenskaberne af nuclei ab initio., Udviklingen i mange-legeme teori har gjort det muligt for mange med lav masse og relativt stabile kerner, men yderligere forbedringer i både computerkraft og matematiske metoder er nødvendige, før tunge kerner, eller meget ustabile kerner kan løses.
historisk set er eksperimenter blevet sammenlignet med relativt rå modeller, der nødvendigvis er ufuldkomne. Ingen af disse modeller kan helt forklare eksperimentelle data om nuklear struktur.
kerneradius (R) anses for at være en af de grundlæggende mængder, som enhver model skal forudsige., For stabile kerner (ikke halo kerner eller andre ustabile forvrænget kerner) den nukleare radius er nogenlunde proportional med kubikroden af masse tal (A), i kernen, og især i cellekerner, som indeholder mange nucleons, som de arrangerer i mere sfæriske konfigurationer:
Den stabile kerne har cirka en konstant densitet og derfor nukleare radius R kan tilnærmes ved følgende formel,
F = r 0 A 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}
hvor A = atommasse-nummer (antallet af protoner Z, plus antallet af neutroner, N) og r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10-15 m., I denne ligning varierer “konstant” r0 med 0,2 FM afhængigt af den pågældende kerne, men dette er mindre end 20% ændring fra en konstant.
med andre ord, pakning protoner og neutroner i kernen, giver omtrent samme størrelse som resultat pakning hårde kugler af en konstant størrelse (som kugler) i en stram sfærisk eller næsten kugleformede taske (nogle stabile kerner er ikke helt rund, men er kendt for at være prolate).,
modeller af nuklear struktur inkluderer:
Væskedråbe modelEdit
tidlige modeller af kernen betragtede kernen som en roterende væskedråbe. I denne model, afvejning af langtrækkende elektromagnetiske kræfter og relativt kortrækkende nukleare kræfter, sammen forårsage adfærd, som lignede overfladespændingskræfter i flydende dråber af forskellig størrelse., Denne formel er vellykket på at forklare mange vigtige fænomener af kerner, såsom deres skiftende mængder af bindende energi som deres størrelse og sammensætning ændringer (se semi-empiriske masse formel), men det forklarer ikke den særlige stabilitet, som opstår, når kerner har speciel “magiske tal” af protoner eller neutroner.
udtrykkene i den semi-empiriske masseformel, som kan bruges til at tilnærme bindingsenergien for mange kerner, betragtes som summen af fem typer energier (se nedenfor)., Derefter tegner billedet af en kerne som en dråbe inkomprimerbar væske groft for den observerede variation af bindingsenergi i kernen:
Volumenenergi. Når en samling af nucleons af samme størrelse er pakket sammen i det mindste volumen, hver indre nucleon har et vist antal andre nucleons i kontakt med det. Så denne Kerneenergi er proportional med volumenet.overflade energi. En nucleon på overfladen af en kerne interagerer med færre andre nucleons end en i det indre af kernen og dermed dens bindende energi er mindre., Dette overfladeenergiudtryk tager højde for dette og er derfor negativt og er proportional med overfladearealet.
Coulomb energi. Den elektriske frastødning mellem hvert par protoner i en kerne bidrager til at mindske dens bindende energi.
asymmetri energi (også kaldet Pauli energi). En energi, der er forbundet med Pauli-udelukkelsesprincippet., Var det ikke for Coulomb-energien, ville den mest stabile form for nukleare stoffer have det samme antal neutroner som protoner, da ulige antal neutroner og protoner indebærer at fylde højere energiniveauer for en type partikel, mens de forlader lavere energiniveauer ledige for den anden type.Parring energi. En energi, som er en korrektion sigt, der opstår fra tendensen af proton par og neutron par til at forekomme. Et lige antal partikler er mere stabilt end et ulige antal.,
Shell-modeller og andre quantum modelsEdit
En række modeller for kernen har også været foreslået som nucleons besætte orbitals, meget gerne atomic orbitals i atomfysik teori. Disse bølge modeller forestille nucleons at være enten si .eless punkt partikler i potentielle brønde, ellers Sandsynlighed bølger som i den “optiske model”, gnidningsfrit kredser ved høj hastighed i potentielle brønde.,
i ovenstående modeller kan nukleonerne optage orbitaler parvis på grund af at være fermioner, hvilket tillader forklaring af lige / ulige effects-og N-effekter, der er velkendte fra eksperimenter. Den nøjagtige karakter og kapacitet af nukleare skaller adskiller sig fra elektroner i atomare orbitaler, primært fordi potentialet godt, hvor nucleons flytte (især i større kerner) er helt forskellig fra den centrale elektromagnetiske potentiale godt, som binder elektroner i atomer., Nogle ligner atomic orbital modeller kan ses i en lille atomkerne som af helium-4, hvor de to protoner og to neutroner separat besætte 1s orbitals svarende til 1s orbital for de to elektroner i et heliumatom, og opnå usædvanlige stabilitet af samme grund. Kerner med 5 nucleons er alle ekstremt ustabile og kortvarige, men helium-3, med 3 nucleons, er meget stabil selv med mangel på en lukket 1s orbital shell. En anden kerne med 3 nucleons, triton hydrogen-3 er ustabil og vil henfalde til helium-3 Når isoleret., Svag nuklear stabilitet med 2 nucleons {NP} i 1s orbital findes i deuteron hydrogen-2, med kun en nucleon i hver af proton og neutron potentielle brønde. Mens hver nucleon er en fermion, {NP} deuteron er en boson og følger således ikke Pauli udelukkelse for tæt pakning inden skaller. Lithium-6 med 6 nucleons er meget stabil uden en lukket anden 1p shell orbital. For lys kerner med samlede nucleon numre 1 til 6 Kun dem med 5 ikke viser nogle tegn på stabilitet., Observationer af beta-stabilitet af lys kerner uden lukkede skaller indikerer, at nuklear stabilitet er meget mere kompleks end simpel lukning af shell orbitaler med magiske antal protoner og neutroner.
for større kerner, skaller besat af nucleons begynder at afvige væsentligt fra elektron skaller, men ikke desto mindre, nuværende nukleare teori gør forudsige det magiske antal fyldte nukleare skaller for både protoner og neutroner. Lukningen af de stabile skaller forudsiger usædvanligt stabile konfigurationer, analoge med den ædle gruppe af næsten inerte gasser i kemi., Et eksempel er stabiliteten af den lukkede skal af 50 protoner, som tillader tin at have 10 stabile isotoper, mere end noget andet element. Tilsvarende gælder, at afstanden fra shell-lukning forklarer den usædvanlige ustabile isotoper, som har langt fra stabil numre af disse partikler, sådan som det radioaktive elementer 43 (korrosionsbeskyttelse) og 61 (promethium), der hver er forudgået og efterfulgt af 17 eller mere stabile elementer.
Der er dog problemer med shell model, når et forsøg er gjort for at redegøre for nukleare egenskaber godt væk fra lukkede skaller., Dette har ført til komplekse post hoc-forvrængninger af formen på potentialet godt til at passe eksperimentelle data, men spørgsmålet er stadig, om disse matematiske manipulationer faktisk svarer til de rumlige deformationer i reelle kerner. Problemer med shell model har ført nogle til at foreslå realistiske to-legeme og tre-legeme atomkraft virkninger involverer nucleon klynger og derefter bygge kernen på dette grundlag. Tre sådanne klyngemodeller er 1936 resonerende Gruppestrukturmodel af John .heeler, tætpakket Spheron-Model af Linus Pauling og 2D Ising-modellen af MacGregor.,
Sammenhæng mellem modelsEdit
Som med tilfælde af superflydende helium, atomkerner er et eksempel på en tilstand, hvor både (1) “almindelige” partikel fysiske regler for volumen og (2) ikke-intuitive kvantemekaniske regler for en bølge-lignende karakter, der gælder. I superfluid helium har heliumatomerne volumen og i det væsentlige “berører” hinanden, men udviser samtidig mærkelige bulkegenskaber, der er i overensstemmelse med en Bose–Einstein-kondensation., Nukleonerne i atomkerner udviser også en bølgelignende natur og mangler standardvæskeegenskaber, såsom friktion. For kerner, lavet af hadrons, som er fermions, Bose-Einstein-kondensation ikke forekomme, men ikke desto mindre, mange nukleare egenskaber kan kun forklares på samme måde ved en kombination af egenskaber af partikler med volumen, i tillæg til den friktionsfri bevægelse karakteristisk for den bølge-lignende adfærd objekter, der er fanget i Erwin Schrödingers quantum orbitals.