bár a fizika standard modelljét széles körben úgy gondolják, hogy teljesen leírja a mag összetételét és viselkedését, az elméletből származó előrejelzések generálása sokkal nehezebb, mint a részecskefizika legtöbb más területén. Ennek két oka van:
- elvileg a magon belüli fizika teljes egészében kvantum-kromodinamikából (QCD) származhat. A gyakorlatban azonban a jelenlegi számítási és matematikai megközelítések megoldása QCD alacsony energiájú rendszerek, mint például a magok rendkívül korlátozott., Ez annak a fázisátmenetnek köszönhető, amely a nagy energiájú kvarkanyag és az alacsony energiájú hadronanyag között zajlik, ami használhatatlanná teszi a perturbatív technikákat, megnehezítve a nukleonok közötti erők pontos QCD-származtatott modelljének felépítését. A jelenlegi megközelítések vagy fenomenológiai modellekre korlátozódnak, mint például az Argonne V18 potenciál vagy a királis effektív mezőelmélet.
- még akkor is, ha a nukleáris erő jól korlátozott, jelentős mennyiségű számítási teljesítményre van szükség az Ab Initio magok tulajdonságainak pontos kiszámításához., A soktestelmélet fejlődése sok kis tömegű és viszonylag stabil atommag esetében lehetővé tette ezt, de mind a számítási teljesítmény, mind a matematikai megközelítések további javítására van szükség, mielőtt a nehéz atommagok vagy az erősen instabil atommagok kezelhetők lennének.
történelmileg a kísérleteket összehasonlították a viszonylag nyers modellekkel, amelyek feltétlenül tökéletlenek. Ezen modellek egyike sem tudja teljesen megmagyarázni a nukleáris szerkezet kísérleti adatait.
A nukleáris sugár (R) az egyik alapvető mennyiség, amelyet bármely modellnek meg kell jósolnia., A stabil magok (nem halo-magok vagy más instabil torz magok) a nukleáris körzetben nagyjából arányos a kocka gyökere a tömeges száma (A) a mag, különösen a magok tartalmazó sok nucleons, mint intézkedik több gömb felépítése:
A stabil atommag körülbelül egy állandó sűrűségű, ezért a nukleáris R sugarú lehet közelíteni a következő képlettel,
R = r 0 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}
a, ahol A = atomtömege száma (a protonok száma Z, plusz a száma neutronok N), valamint r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10-15 m., Ebben az egyenletben az” állandó ” R0 0,2 fm-rel változik, a kérdéses magtól függően, de ez kevesebb, mint 20% – os változás az állandótól.
más szóval, a protonok és neutronok csomagolása a magban megközelítőleg azonos teljes méretű eredményt ad, mint az állandó méretű kemény gömbök (mint a golyók) szoros gömb alakú vagy majdnem gömb alakú zsákba csomagolása (néhány stabil mag nem egészen gömb alakú, de ismert, hogy prolát).,
A nukleáris szerkezet modelljei a következők:
Liquid drop modelEdit
a mag korai modelljei forgó folyadékcseppnek tekintették a magot. Ebben a modellben, a trade-off a hosszú távú elektromágneses erők viszonylag rövid hatótávolságú nukleáris erők, együtt, mert magatartás, amely hasonlított felületi feszültség erők folyékony csepp különböző méretben., Ez a képlet sikeres elmagyarázni sok fontos jelenség a magok, mint például a változó mennyiségű kötési energia, mint a mérete, összetétele megváltozik (lásd a szemi-empirikus tömeg képlet), de ez nem magyarázza meg a különleges stabilitást, amely akkor fordul elő, amikor a magok különleges “mágikus számokat” a protonok vagy neutronok.
a félig empirikus tömegképletben szereplő kifejezések, amelyek sok mag kötési energiájának közelítésére használhatók, ötféle energiának tekinthetők (lásd alább)., Ezután a mag mint összenyomhatatlan folyadék cseppje nagyjából a mag kötési energiájának megfigyelt változását jelenti:
Térfogatenergia. Amikor az azonos méretű nukleonok összeszerelése a legkisebb térfogatba van csomagolva, minden belső nukleonnak van egy bizonyos számú más nukleonja, amely érintkezik vele. Tehát ez a nukleáris energia arányos a térfogattal.
felületi energia. A mag felszínén lévő nukleon kevesebb más nukleonnal kölcsönhatásba lép, mint egy a mag belsejében, ezért kötési energiája kisebb., Ez a felületi energia kifejezés ezt figyelembe veszi, ezért negatív, és arányos a felületével.
Coulomb Energy. A magban lévő protonok minden párja közötti elektromos repulzió hozzájárul a kötési energia csökkenéséhez.
aszimmetria energia (más néven Pauli energia). A Pauli kizárási elvhez kapcsolódó energia., Ha nem lenne a Coulomb-energia, a stabil forma a nukleáris számít volna azonos számú neutron, mint a protonok, mivel egyenlőtlen számú neutron, proton jelenti kitöltése magasabb energia szint egy adott részecske, miközben alacsonyabb energiaszintet üres, a többi típus.
párosítási energia. Olyan energia, amely egy korrekciós kifejezés, amely a protonpárok és neutronpárok előfordulásának tendenciájából ered. A páros részecskék száma stabilabb, mint egy páratlan szám.,
Shell modellek és más kvantummodellekszerkesztés
számos modellt javasoltak a mag számára is, amelyekben a nukleonok elfoglalják a pályákat, hasonlóan az atomfizikai elmélet atompályáihoz. Ezek a hullám modell képzeld el, nucleons vagy sizeless pont részecskék potenciális wells, vagy más valószínűségi hullámok, mint az “optikai modell”, frictionlessly körül keringő nagy sebességgel a potenciális wells.,
a fenti modellekben a nukleonok párban foglalhatják el a pályákat, mivel fermionok, ami lehetővé teszi a kísérletekből jól ismert Páros/páratlan Z és N hatások magyarázatát. A nukleáris héjak pontos jellege és kapacitása különbözik az atompályák elektronjaitól, elsősorban azért, mert a nukleonok mozgásának potenciálja (különösen a nagyobb magokban) meglehetősen különbözik a központi elektromágneses potenciáltól, amely az atomokban lévő elektronokat köti össze., Hasonlít atomi pályáról modellek is láttam egy kis atommag, mint a hélium-4, amelyben a két proton, két neutron külön elfoglalni 1s elektronpályák hasonló az 1-es pálya a két elektronok a hélium atom, meg elérni szokatlan stabilitás ugyanezen okból. Az 5 nukleonnal rendelkező magok mind rendkívül instabilak és rövid életűek, de a 3 nukleonnal rendelkező hélium-3 nagyon stabil, még zárt 1s orbitális héj hiányában is. Egy másik, 3 nukleonnal rendelkező mag, a Triton-hidrogén-3 instabil, izoláláskor hélium-3-ra bomlik., Gyenge atomstabilitás 2 nukleonnal {np} az 1s orbitális pályán található a deuteron hidrogén-2-ben, mindegyik proton-és neutronpotenciál kutakban csak egy nukleon található. Míg minden nukleon egy fermion, addig a {NP} deuteron egy bozon, így nem követi a Pauli kizárását a héjakon belüli szoros csomagoláshoz. A lítium-6 6 nukleonnal nagyon stabil, zárt második 1P héj orbitális nélkül. Az 1-6 teljes nukleonszámú könnyű magok esetében csak az 5-ös atommagok nem mutatnak stabilitást., A zárt héjakon kívüli fénymagok béta-stabilitásának megfigyelései azt mutatják, hogy a nukleáris stabilitás sokkal összetettebb, mint a protonok és neutronok mágikus számával rendelkező héjpályák egyszerű lezárása.
nagyobb magok esetében a nukleonok által elfoglalt héjak jelentősen eltérnek az elektronhéjaktól, de ennek ellenére a jelenlegi nukleáris elmélet megjósolja a töltött nukleáris kagylók mágikus számát mind a protonok, mind a neutronok számára. A stabil héjak bezárása szokatlanul stabil konfigurációkat jósol, hasonlóan a kémia közel inert gázainak nemes csoportjához., Példa erre az 50 proton zárt héj stabilitása, amely lehetővé teszi az ón számára, hogy 10 stabil izotópot tartalmazzon, mint bármely más elem. Hasonlóképpen, a héjzáródástól való távolság magyarázza az izotópok szokatlan instabilitását, amelyek messze nem állnak e részecskék stabil számától, például a 43 (technécium) és a 61 (prométium) radioaktív elemektől, amelyek mindegyikét 17 vagy több stabil elem előzi meg és követi.
vannak azonban problémák a shell modell, amikor egy kísérletet tesznek, hogy figyelembe nukleáris tulajdonságait is távol zárt kagyló., Ez a potenciális kút alakjának komplex post hoc torzulásához vezetett, hogy illeszkedjen a kísérleti adatokhoz, de továbbra is felmerül a kérdés, hogy ezek a matematikai manipulációk valóban megfelelnek-e a valódi magok térbeli deformációinak. A shell modellel kapcsolatos problémák miatt néhányan reális kéttestű és háromtestű nukleáris erőhatásokat javasoltak nukleon klaszterek bevonásával, majd ezen az alapon felépítették a magot. Három ilyen klaszter modell a John Wheeler 1936-os rezonáló Csoportszerkezeti modellje, a Linus Pauling közeli Spheron modellje, valamint a MacGregor 2D Ising modellje.,
közötti Összhang modelsEdit
Mint az esetben, ha a szuperfolyékony folyékony hélium atom atommag egy példája a tagállam, amelyben mindkét (1) a “hétköznapi” részecske fizikai szabályok kötet pedig (2) nem intuitív kvantummechanikai szabályok egy hullám-mint a természet alkalmazni. A szuperfluid héliumban a hélium atomjai térfogatúak, és lényegében “megérintik” egymást, ugyanakkor furcsa ömlesztett tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek összhangban vannak a Bose–Einstein kondenzációval., Az atommagokban lévő nukleonok hullámszerű természetűek is, és nem rendelkeznek szabványos folyadék tulajdonságokkal, például súrlódással. A fermionokból álló hadronokból készült magok esetében a Bose-Einstein kondenzáció nem fordul elő, mégis sok nukleáris tulajdonság csak hasonlóan magyarázható a térfogatú részecskék tulajdonságainak kombinációjával, az Erwin Schrödinger kvantumpályáiban csapdába esett tárgyak hullámszerű viselkedésére jellemző súrlódásmentes mozgás mellett.