aunque se cree ampliamente que el modelo estándar de la física describe completamente la composición y el comportamiento del núcleo, generar predicciones a partir de la teoría es mucho más difícil que para la mayoría de las otras áreas de la física de partículas. Esto se debe a dos razones:
- En principio, la física dentro de un núcleo puede derivarse completamente de la cromodinámica cuántica (QCD). En la práctica, sin embargo, los enfoques Computacionales y matemáticos actuales para resolver QCD en sistemas de baja energía como los núcleos son extremadamente limitados., Esto se debe a la transición de fase que ocurre entre la materia quark de alta energía y la materia hadrónica de baja energía, lo que hace que las técnicas perturbativas sean inutilizables, lo que dificulta la construcción de un modelo preciso derivado de QCD de las fuerzas entre nucleones. Los enfoques actuales se limitan a modelos fenomenológicos como el potencial de Argonne v18 o la teoría de campos quirales efectivos.
- incluso si la fuerza nuclear está bien limitada, se requiere una cantidad significativa de potencia computacional para calcular con precisión las propiedades de los núcleos ab initio., Los desarrollos en la teoría de muchos cuerpos han hecho esto posible para muchos núcleos de baja masa y relativamente estables, pero se requieren mejoras adicionales en la potencia computacional y los enfoques matemáticos antes de que se puedan abordar los núcleos pesados o los núcleos altamente inestables.
históricamente, los experimentos han sido comparados con modelos relativamente crudos que son necesariamente imperfectos. Ninguno de estos modelos puede explicar completamente los datos experimentales sobre la estructura nuclear.
el radio nuclear (R) se considera una de las cantidades básicas que cualquier modelo debe predecir., Para núcleos estables (no núcleos de halo u otros núcleos Distorsionados inestables) el radio nuclear es aproximadamente proporcional a la raíz cúbica del número de masa (A) del núcleo, y particularmente en núcleos que contienen muchos nucleones, ya que se organizan en configuraciones más esféricas:
el núcleo estable tiene aproximadamente una densidad constante y, por lo tanto, el radio nuclear R se puede aproximar mediante la siguiente fórmula,
r = r 0 a 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}a^{1/3}\,}
donde a = número de masa atómica (el número de protones Z, más el número de neutrones n) y R0 = 1.25 FM = 1.25 × 10-15 m., En esta ecuación, la «constante» r0 varía en 0.2 fm, dependiendo del núcleo en cuestión, pero esto es menos del 20% de cambio de una constante.
En otras palabras, empaquetar protones y neutrones en el núcleo da aproximadamente el mismo resultado de tamaño total que empaquetar esferas duras de un tamaño constante (como canicas) en una bolsa esférica apretada o casi esférica (algunos núcleos estables no son completamente esféricos, pero se sabe que son prolatos).,
Los modelos de estructura nuclear incluyen:
modelo de gota Líquidaeditar
Los primeros modelos del núcleo veían al núcleo como una gota líquida giratoria. En este modelo, la compensación de fuerzas electromagnéticas de largo alcance y fuerzas nucleares de relativamente corto alcance, juntas causan un comportamiento que se asemeja a las fuerzas de tensión superficial en gotas líquidas de diferentes tamaños., Esta fórmula es exitosa en explicar muchos fenómenos importantes de los núcleos, como sus cantidades cambiantes de energía de unión a medida que cambia su tamaño y composición (ver fórmula de masa semi-empírica), pero no explica la estabilidad especial que ocurre cuando los núcleos tienen «números mágicos» especiales de protones o neutrones.
los Términos en la fórmula de masa semi-empírica, que se puede utilizar para aproximar la energía de unión de muchos núcleos, se consideran como la suma de cinco tipos de energías (véase más adelante)., Entonces la imagen de un núcleo como una gota de líquido incompresible aproximadamente explica la variación observada de la energía de unión del núcleo:
energía de volumen. Cuando un conjunto de nucleones del mismo tamaño se junta en el volumen más pequeño, cada nucleón interior tiene un cierto número de otros nucleones en contacto con él. Por lo tanto, esta energía nuclear es proporcional al volumen.
energía superficial. Un nucleón en la superficie de un núcleo interactúa con menos otros nucleones que uno en el interior del núcleo y por lo tanto su energía de unión es menor., Este término de energía superficial tiene eso en cuenta y, por lo tanto, es negativo y es proporcional a la superficie.
Coulomb Energy. La repulsión eléctrica entre cada par de protones en un núcleo contribuye a disminuir su energía de unión.
energía Asimétrica (también llamada energía de Pauli). Una energía asociada con el principio de exclusión de Pauli., Si no fuera por la energía de Coulomb, la forma más estable de materia nuclear tendría el mismo número de neutrones que los protones, ya que un número desigual de neutrones y protones implica llenar niveles de energía más altos para un tipo de partícula, mientras que deja vacíos niveles de energía más bajos para el otro tipo.
energía de emparejamiento. Energía que es un término de corrección que surge de la tendencia de los pares de protones y neutrones a ocurrir. Un número par de partículas es más estable que un número impar.,
modelos de Concha y otros modelos cuánticoseditar
También se han propuesto varios modelos para el núcleo en los que los nucleones ocupan orbitales, al igual que los orbitales atómicos en la teoría de la física atómica. Estos modelos de ondas imaginan que los nucleones son partículas puntuales sin tamaño en pozos potenciales, o bien ondas de probabilidad como en el «modelo óptico», orbitando sin fricción a alta velocidad en pozos potenciales.,
en los modelos anteriores, los nucleones pueden ocupar orbitales en pares, debido a ser fermiones, lo que permite la explicación de los efectos par/impar Z y N bien conocidos de los experimentos. La naturaleza y capacidad exactas de las capas nucleares difieren de las de los electrones en los orbitales atómicos, principalmente porque el pozo de potencial en el que se mueven los nucleones (especialmente en núcleos más grandes) es bastante diferente del pozo de potencial electromagnético central que une electrones en átomos., Se puede observar cierta semejanza con los modelos orbitales atómicos en un pequeño núcleo atómico como el del helio-4, en el que los dos protones y dos neutrones ocupan por separado orbitales 1s análogos al orbital 1s para los dos electrones en el átomo de helio, y logran una estabilidad inusual por la misma razón. Los núcleos con 5 nucleones son extremadamente inestables y de corta duración, sin embargo, el helio-3, con 3 nucleones, es muy estable incluso con la falta de una cubierta orbital 1s cerrada. Otro núcleo con 3 nucleones, el tritón hidrógeno-3 es inestable y se descompondrá en helio-3 cuando se aísla., La estabilidad nuclear débil con 2 nucleones {NP} en el orbital 1s se encuentra en el deuterón hidrógeno-2, con solo un nucleón en cada uno de los pozos de potencial de protones y neutrones. Mientras que cada nucleón es un fermión, el {NP} deuterón es un bosón y por lo tanto no sigue la exclusión de Pauli para el embalaje cercano dentro de las conchas. El litio-6 con 6 nucleones es altamente estable sin un segundo orbital de caparazón 1P cerrado. Para los núcleos de luz con números totales de 1 a 6, solo aquellos con 5 no muestran alguna evidencia de estabilidad., Las observaciones de la estabilidad beta de núcleos de luz fuera de los depósitos cerrados indican que la estabilidad nuclear es mucho más compleja que el simple cierre de los orbitales de los depósitos con números mágicos de protones y neutrones.
para núcleos más grandes, las conchas ocupadas por nucleones comienzan a diferir significativamente de las conchas de electrones, pero sin embargo, la teoría nuclear actual predice el número mágico de conchas nucleares llenas tanto para protones como para neutrones. El cierre de las conchas estables predice configuraciones inusualmente estables, análogas al grupo noble de gases casi inertes en química., Un ejemplo es la estabilidad de la capa cerrada de 50 protones, que permite que el estaño tenga 10 isótopos estables, más que cualquier otro elemento. De manera similar, la distancia desde el cierre de la concha explica la inestabilidad inusual de los isótopos que tienen un número lejos de estable de estas partículas, como los elementos radiactivos 43 (tecnecio) y 61 (promethium), cada uno de los cuales está precedido y seguido por 17 o más elementos estables.
sin embargo, hay problemas con el modelo de proyectiles cuando se intenta tener en cuenta las propiedades nucleares muy lejos de los proyectiles cerrados., Esto ha llevado a complejas distorsiones post hoc de la forma del pozo potencial para adaptarse a los datos experimentales, pero la pregunta sigue siendo si estas manipulaciones matemáticas realmente corresponden a las deformaciones espaciales en núcleos reales. Los problemas con el modelo de concha han llevado a algunos a proponer efectos realistas de fuerza nuclear de dos cuerpos y tres cuerpos que involucran cúmulos de núcleos y luego construir el núcleo sobre esta base. Tres de estos modelos de clústeres son el modelo de estructura de grupo resonante de 1936 de John Wheeler, el modelo de Spheron de Linus Pauling y el modelo 2D Ising de MacGregor.,
consistencia entre modeloseditar
Al igual que en el caso del helio líquido superfluido, los núcleos atómicos son un ejemplo de un estado en el que se aplican tanto (1) reglas físicas de partículas «ordinarias» para el volumen como (2) reglas mecánicas cuánticas no intuitivas para una naturaleza de onda. En el helio superfluido, los átomos de helio tienen volumen, y esencialmente «se tocan» entre sí, pero al mismo tiempo exhiben extrañas propiedades en masa, consistentes con una condensación de Bose–Einstein., Los nucleones en los núcleos atómicos también exhiben una naturaleza ondulatoria y carecen de propiedades de fluido Estándar, como la fricción. Para los núcleos hechos de Hadrones que son fermiones, la condensación de Bose-Einstein no ocurre, sin embargo, muchas propiedades nucleares solo pueden explicarse de manera similar por una combinación de propiedades de partículas con volumen, además del movimiento sin fricción característico del comportamiento ondulatorio de los objetos atrapados en los orbitales cuánticos de Erwin Schrödinger.