bien que l’on pense généralement que le modèle standard de la physique décrit complètement la composition et le comportement du noyau, générer des prédictions à partir de la théorie est beaucoup plus difficile que pour la plupart des autres domaines de la physique des particules. Cela est dû à deux raisons:
- En principe, la physique dans un noyau peut être entièrement dérivée de la chromodynamique quantique (QCD). Dans la pratique cependant, les approches informatiques et mathématiques actuelles pour résoudre la QCD dans des systèmes à faible énergie tels que les noyaux sont extrêmement limitées., Cela est dû à la transition de phase qui se produit entre la matière quark de haute énergie et la matière hadronique de basse énergie, ce qui rend les techniques perturbatives inutilisables, ce qui rend difficile la construction d’un modèle précis dérivé de la QCD des forces entre les nucléons. Les approches actuelles se limitent à des modèles phénoménologiques tels que le potentiel Argonne V18 ou la théorie des champs effectifs chiraux.
- même si la force nucléaire est bien contrainte, une quantité importante de puissance de calcul est nécessaire pour calculer avec précision les propriétés des noyaux ab initio., Les développements de la théorie des corps multiples ont rendu cela possible pour de nombreux noyaux de faible masse et relativement stables, mais d’autres améliorations de la puissance de calcul et des approches mathématiques sont nécessaires avant que des noyaux lourds ou des noyaux très instables puissent être abordés.
historiquement, les expériences ont été comparées à des modèles relativement bruts qui sont nécessairement imparfaits. Aucun de ces modèles ne peut expliquer complètement les données expérimentales sur la structure nucléaire.
Le rayon nucléaire (R) est considéré comme l’une des grandeurs de base que tout modèle doit prévoir., Pour les noyaux stables (pas les noyaux halo ou d’autres noyaux déformés instables), le rayon nucléaire est à peu près proportionnel à la racine cubique du nombre de masse (A) du noyau, et en particulier dans les noyaux contenant de nombreux nucléons, car ils sont disposés dans des configurations plus sphériques:
le noyau stable a approximativement une densité constante et donc le rayon nucléaire R peut être approximé par la formule suivante,
R = r 0 A 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}
où A = Nombre de masse atomique (le nombre de protons Z, plus le nombre de neutrons n) et R0 = 1,25 FM = 1,25 × 10-15 m., Dans cette équation, la » constante » R0 varie de 0,2 fm, en fonction du noyau en question, mais cela représente moins de 20% de changement par rapport à une constante.
en d’autres termes, l’emballage de protons et de neutrons dans le noyau donne approximativement le même résultat de taille totale que l’emballage de sphères dures de taille constante (comme les billes) dans un sac sphérique serré ou presque sphérique (certains noyaux stables ne sont pas tout à fait sphériques, mais sont connus pour être prolongés).,
Les Modèles de structure nucléaire comprennent:
liquid drop modelEdit
Les premiers modèles du noyau considéraient le noyau comme une goutte liquide en rotation. Dans ce modèle, le compromis entre les forces électromagnétiques à longue portée et les forces nucléaires à relativement courte portée, provoque ensemble un comportement qui ressemble à des forces de tension superficielle dans des gouttes liquides de différentes tailles., Cette formule réussit à expliquer de nombreux phénomènes importants des noyaux, tels que leurs quantités changeantes d’énergie de liaison à mesure que leur taille et leur composition changent (voir formule de masse semi-empirique), mais elle n’explique pas la stabilité particulière qui se produit lorsque les noyaux ont des « nombres magiques » spéciaux de protons ou de neutrons.
les termes de la formule de masse semi-empirique, qui peuvent être utilisés pour approximer l’énergie de liaison de nombreux noyaux, sont considérés comme la somme de cinq types d’énergies (voir ci-dessous)., Ensuite, l’image d’un noyau sous forme de goutte de liquide incompressible explique grossièrement la variation observée de l’énergie de liaison du noyau:
énergie volumique. Lorsqu’un assemblage de nucléons de même taille est emballé ensemble dans le plus petit volume, chaque nucléon intérieur a un certain nombre d’autres nucléons en contact avec lui. Ainsi, cette énergie nucléaire est proportionnelle au volume.
énergie de Surface. Un nucléon à la surface d’un noyau interagit avec moins d’autres nucléons qu’un à l’intérieur du noyau et, par conséquent, son énergie de liaison est moindre., Ce terme d’énergie de surface prend cela en compte et est donc négatif et est proportionnel à la surface.
– Coulomb de l’Énergie. La répulsion électrique entre chaque paire de protons dans un noyau contribue à diminuer son énergie de liaison.
énergie D’asymétrie (également appelée énergie de Pauli). Une énergie associée au principe D’exclusion de Pauli., Sans L’énergie de Coulomb, la forme la plus stable de la matière nucléaire aurait le même nombre de neutrons que les protons, car un nombre inégal de neutrons et de protons implique de remplir des niveaux d’énergie plus élevés pour un type de particule, tout en laissant des niveaux d’énergie plus faibles vacants pour l’autre type.
le Couplage de l’énergie. Une énergie qui est un terme de correction qui découle de la tendance des paires de protons et des paires de neutrons à se produire. Un même nombre de particules est plus stable qu’un nombre impair.,
Shell models and other quantum modelsmodifier
un certain nombre de modèles pour le noyau ont également été proposés dans lesquels les nucléons occupent des orbitales, un peu comme les orbitales atomiques dans la théorie de la physique atomique. Ces modèles d’ondes imaginent que les nucléons sont soit des particules ponctuelles sans taille dans les puits potentiels, soit des ondes de probabilité comme dans le « modèle optique », orbitant sans friction à grande vitesse dans les puits potentiels.,
dans les modèles ci-dessus, les nucléons peuvent occuper des orbitales par paires, car ils sont des fermions, ce qui permet d’expliquer les effets Z et N pairs/impairs bien connus des expériences. La nature exacte et la capacité des coquilles nucléaires diffèrent de celles des électrons dans les orbitales atomiques, principalement parce que le puits de potentiel dans lequel les nucléons se déplacent (en particulier dans les noyaux plus grands) est très différent du puits de potentiel électromagnétique central qui lie les électrons dans les atomes., Une certaine ressemblance avec les modèles orbitaux atomiques peut être vue dans un petit noyau atomique comme celui de l’hélium-4, dans lequel les deux protons et deux neutrons occupent séparément des orbitales 1s analogues à l’orbitale 1s pour les deux électrons de l’atome d’hélium, et atteignent une stabilité inhabituelle pour la même raison. Les noyaux avec 5 nucléons sont tous extrêmement instables et de courte durée, mais l’hélium-3, avec 3 nucléons, est très stable même en l’absence d’une coquille orbitale fermée 1s. Un autre noyau avec 3 nucléons, l’hydrogène Triton-3 est instable et se désintègre en hélium-3 lorsqu’il est isolé., Une faible stabilité nucléaire avec 2 nucléons {NP} dans l’orbitale 1s est trouvée dans le deutéron hydrogène-2, avec un seul nucléon dans chacun des puits de potentiel de protons et de neutrons. Alors que chaque nucléon est un fermion, le deutéron {NP} est un boson et ne suit donc pas L’Exclusion de Pauli pour l’emballage étroit dans les coquilles. Le Lithium-6 avec 6 nucléons est très stable sans seconde orbitale fermée de la coquille 1p. Pour les noyaux légers dont le nombre total de nucléons est de 1 à 6, seuls ceux dont le nombre est de 5 ne montrent pas de signes de stabilité., Les Observations de la bêta-stabilité des noyaux légers à l’extérieur des coquilles fermées indiquent que la stabilité nucléaire est beaucoup plus complexe que la simple fermeture des orbitales de la coquille avec des nombres magiques de protons et de neutrons.
pour les noyaux plus grands, les coquilles occupées par les nucléons commencent à différer significativement des coquilles d’électrons, mais néanmoins, la théorie nucléaire actuelle prédit le nombre magique de coquilles nucléaires remplies pour les protons et les neutrons. La fermeture des coquilles stables prédit des configurations inhabituellement stables, analogues au groupe noble des gaz presque inertes en chimie., Un exemple est la stabilité de la coque fermée de 50 protons, ce qui permet à l’étain d’avoir 10 isotopes stables, plus que tout autre élément. De même, la distance par rapport à la fermeture de la coquille explique l’instabilité inhabituelle d’isotopes dont le nombre de ces particules est loin d’être stable, tels que les éléments radioactifs 43 (technétium) et 61 (prométhium), chacun étant précédé et suivi de 17 éléments stables ou plus.
Il y a cependant des problèmes avec le modèle de coquille quand on tente de tenir compte des propriétés nucléaires bien loin des coquilles fermées., Cela a conduit à des distorsions post hoc complexes de la forme du puits de potentiel pour s’adapter aux données expérimentales, mais la question reste de savoir si ces manipulations mathématiques correspondent réellement aux déformations spatiales dans les noyaux réels. Les problèmes avec le modèle shell ont conduit certains à proposer des effets de force nucléaire réalistes à deux corps et à trois corps impliquant des grappes de nucléons, puis à construire le noyau sur cette base. Trois de ces modèles de grappes sont le modèle de structure de groupe résonant de 1936 de John Wheeler, le modèle de Sphéron serré de Linus Pauling et le modèle 2D Ising de MacGregor.,
cohérence entre modèlesmodifier
comme dans le cas de l’hélium liquide superfluide, les noyaux atomiques sont un exemple d’état dans lequel s’appliquent à la fois (1) les règles physiques « ordinaires » des particules pour le volume et (2) les règles mécaniques quantiques non intuitives pour une nature ondulatoire. Dans l’hélium superfluide, les atomes d’hélium ont du volume et se « touchent » essentiellement, mais présentent en même temps des propriétés de masse étranges, compatibles avec une condensation de Bose–Einstein., Les nucléons dans les noyaux atomiques présentent également une nature ondulatoire et manquent de propriétés fluides standard, telles que le frottement. Pour les noyaux constitués de hadrons qui sont des fermions, la condensation de Bose-Einstein ne se produit pas, mais néanmoins, de nombreuses propriétés nucléaires ne peuvent être expliquées de la même manière que par une combinaison de propriétés des particules avec le volume, en plus du mouvement sans friction caractéristique du comportement ondulatoire des objets piégés dans les orbitales quantiques D’Erwin Schrödinger.