Selv om standard modell av fysikk er antatt å helt beskrive sammensetning og virkemåte av kjernen, generere spådommer fra teorien er mye vanskeligere enn for de fleste andre områder av partikkelfysikk. Dette er på grunn av to grunner:
- I prinsippet, fysikk innenfor en kjerne kan være avledet helt fra quantum chromodynamics (QCD). I praksis er imidlertid, gjeldende computational og matematiske tilnærminger for å løse QCD i lav-energi systemer som kjerner er svært begrenset., Dette er på grunn av faseovergang som oppstår mellom høy-energi quark saken og lav-energi hadronic saken, som gjør perturbative teknikker ubrukelig, noe som gjør det vanskelig å lage en nøyaktig QCD-avledet modell av krefter mellom nucleons. Dagens metoder er begrenset til enten fenomenologisk modeller som Argonne v18 potensielle eller chiral effektiv felt teori.
- Selv om kjernekraften er godt festet, en betydelig mengde datakraft er nødvendig for å nøyaktig beregne egenskaper av kjerner ab initio., Utviklingen i mange av-kroppen-teori har gjort dette mulig for mange med lav masse og relativt stabile kjerner, men ytterligere forbedringer i både regnekraft og matematiske tilnærminger er nødvendig før tunge atomkjerner eller svært ustabile atomkjerner kan håndteres.
Historisk, eksperimenter har blitt sammenlignet med relativt grove modeller som er nødvendigvis perfekte. Ingen av disse modellene kan helt forklare eksperimentelle data på kjernefysiske struktur.
Den kjernefysiske radius (R) er ansett for å være en av de grunnleggende mengder som modell må forutsi., For stabile kjerner (ikke halo kjerner eller andre ustabil forvrengt kjerner) kjernefysiske radius er omtrent proporsjonal med kubikkrot av masse-nummer (En) av kjernen, og spesielt i kjerner inneholder mange nucleons, som de ordne i mer sfærisk konfigurasjoner:
Den stabile kjernen har ca en konstant tetthet og derfor kjernefysiske radius R kan tilnærmes med følgende formel,
R = r 0 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}En^{1/3}\,}
hvor A = atommasse antall (antall protoner Z, pluss antall nøytroner N) og r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10-15 m., I denne ligningen, «konstant» r0 varierer med 0,2 fm, avhengig av kjernen i spørsmålet, men dette er mindre enn 20% endring fra en konstant.
med andre ord, pakking protoner og nøytroner i kjernen gir omtrent samme totale størrelsen resultat som pakking vanskelig sfærer av en konstant størrelse (som klinkekuler) i en tett rund eller nesten sfærisk bag (noen stabile kjerner er ikke helt sfærisk, men er kjent for å være prolate).,
Modeller av kjernefysiske struktur som inkluderer :
Flytende slippe modelEdit
Tidlige modeller av kjernen sett kjernen som en roterende væske slippe. I denne modellen, trade-off med lang rekkevidde og elektromagnetiske krefter og relativt kort-range nuclear forces, sammen føre til atferd som lignet overflatespenning styrker i flytende dråper av forskjellige størrelser., Denne formelen er vellykket på å forklare mange viktige fenomener av kjerner, for eksempel endrede mengder av bindende energi som deres størrelse og sammensetning endres (se semi-empiriske masse formel), men det forklarer ikke den spesielle stabilitet som oppstår når atomkjerner har spesielle «magiske tall» av protoner eller nøytroner.
vilkårene i semi-empiriske masse formel, som kan brukes til å anslå den bindende energi av mange kjerner, er regnet som summen av fem typer energier (se nedenfor)., Så bildet av en kjerne som en dråpe inkompressible væske omtrent kontoer for den observerte variasjonen av bindende energi av kjernen:
Volum energi. Når en sammenstilling av nucleons av samme størrelse som er pakket sammen i det minste volum, hver interiør nucleon har et visst antall av andre nucleons i kontakt med det. Så, dette kjernekraft er proporsjonal med volumet.
Overflaten energi. En nucleon på overflaten av en kjerne samhandler med færre andre nucleons enn ett i indre kjernen og dermed sin bindende energi er mindre., Denne overflaten energi begrepet tar dette i betraktning og er derfor negativt og er proporsjonal med arealet.
Coulomb Energi. Den elektriske frastøting mellom hvert par av protoner i kjernen bidrar til å redusere sin bindende energi.
Asymmetri energi (også kalt Pauli Energi). En energi assosiert med Pauli utelukkelse prinsippet., Var det ikke for de Coulomb energi, den mest stabile formen av atomvåpen ville saken ha samme antall nøytroner som protoner, siden ulik antall nøytroner og protoner innebærer å fylle høyere energinivå for én type partikkel, og samtidig la lavere energinivå ledig for den andre typen.
Sammenkobling energi. En energi som er en korreksjon begrep som oppstår fra den tendensen proton par og nøytron par til å skje. Et likt antall partikler er mer stabilt enn et oddetall.,
Shell-modeller og andre quantum modelsEdit
En rekke modeller for kjernen har også blitt foreslått som nucleons okkupere orbitals, mye som atom-orbitals i atomfysikk teori. Disse bølge modeller forestille nucleons å være enten sizeless punkt partikler i potensielle brønner eller andre sannsynlighet bølger som i «optisk modell», frictionlessly bane i høy hastighet i potensielle brønner.,
I de ovennevnte modeller, nucleons kan okkupere orbitals i par, grunn til å være fermions, som gjør det mulig forklaring på partall/oddetall Z og N virkninger godt kjent fra eksperimenter. Den eksakte natur og kapasitet av kjernefysiske skjell er forskjellig fra de av elektroner i atomic orbitals, først og fremst fordi den potensielle vel som nucleons flytte (spesielt i større kjerner) er ganske forskjellig fra den sentrale elektromagnetisk potensial vel som binder seg elektroner i atomer., Noen likhet med atomic orbital modeller kan sees i en liten atomkjerne som helium-4, som de to protoner og to nøytroner separat okkupere 1s orbitals analogt til 1s orbital for de to elektroner i helium atom, og oppnå uvanlig stabilitet for samme grunn. Kjerner med 5 nucleons er alle ekstremt ustabile og kortvarige, men likevel, helium-3, med 3 nucleons, er svært stabil selv med mangel på et lukket 1s orbital shell. En annen kjerne med 3 nucleons, triton-hydrogen-3 er ustabil og vil forfalle til helium-3 når isolert., Svak kjernekraft stabilitet med 2 nucleons {NP} i 1s orbital er funnet i deuteron hydrogen-2, med bare en nucleon i hver av proton og nøytron potensielle brønner. Mens hver nucleon er et fermion, den {NP} deuteron er et boson, og dermed ikke følger Pauli Utelukkelse for nær pakking i skjell. Litium-6 med 6 nucleons er svært stabil uten en lukket andre 1p shell-orbital. For lette atomkjerner med totalt nucleon tallene 1 til 6 bare de med 5 viser ikke noen bevis for stabilitet., Observasjoner av beta-stabilitet av lette atomkjerner utenfor lukkede skjell viser at kjernefysisk stabilitet er mye mer kompleks enn enkle nedleggelsen av shell-orbitals med magic antall protoner og nøytroner.
For større kjerner, skall okkupert av nucleons begynne å avvike betydelig fra electron skjell, men likevel til stede kjernefysiske teori ikke forutsi de magiske tallene fylt av kjernefysiske skjell for både protoner og nøytroner. Nedleggelsen av stabil skjell spår uvanlig stabile konfigurasjoner, analogt til den edle gruppe av nesten-inerte gasser i kjemi., Et eksempel er stabiliteten i lukket skall av 50 protoner, som lar tin å ha 10 stabile isotoper, mer enn noen andre element. Tilsvarende avstand fra shell-nedleggelse forklarer uvanlig ustabilitet av isotoper som har langt fra stabile tall av disse partiklene, som for eksempel radioaktive elementer 43 (technetium) og 61 (prometheus), som hver innledes og avsluttes med 17 eller mer stabile elementer.
Det er imidlertid problemer med shell-modellen når det gjøres et forsøk på å redegjøre for kjernefysisk egenskaper godt unna lukkede skjell., Dette har ført til komplekse post hoc forstyrrelser i form av potensielle godt til å passe eksperimentelle data, men spørsmålet gjenstår om disse matematiske manipulasjoner faktisk svarer til den romlige deformasjoner i real-kjerner. Problemer med shell-modellen har ledet noen til å foreslå realistiske to-kropp og tre-kroppen kjernekraften effekter som involverer nucleon klynger og deretter bygge kjernen på dette grunnlaget. Tre slike cluster-modeller er 1936 Resonnere Gruppe Struktur modell av John Wheeler, i Nærheten-Pakket Spheron Modell av Linus Pauling og 2D-Ising-Modell av Halvmaraton.,
Konsistens mellom modelsEdit
Som i tilfelle av superfluid flytende helium, atomic kjerner er et eksempel på en stat som både (1) «ordinære» partikkel fysisk regler for volum og (2) ikke-intuitive kvantemekaniske regler for en bølge-lignende karakter som gjelder. I superfluid helium, helium atomer har volum, og i hovedsak er «touch» hverandre, men på samme tid viser seg ved en merkelig bulk egenskaper, i samsvar med et Bose–Einstein kondens., Den nucleons i atomic kjerner også stille ut en bølge-som natur og mangel standard væske-egenskaper, som for eksempel friksjon. For kjerner laget av hadrons som er fermions, Bose-Einstein kondens oppstår ikke, men likevel, mange kjernefysiske egenskaper kan bare forklares på samme måte ved en kombinasjon av egenskaper som er av partikler med volum, i tillegg til friksjonsfri bevegelse karakteristisk for bølge-lignende oppførsel av objekter fanget i Erwin Schrödinger ‘ s quantum orbitals.