hoewel algemeen wordt aangenomen dat het standaardmodel van de natuurkunde de samenstelling en het gedrag van de kern volledig beschrijft, is het genereren van voorspellingen uit de theorie veel moeilijker dan voor de meeste andere gebieden van de deeltjesfysica. Dit is te wijten aan twee redenen:
- in principe kan de fysica binnen een kern volledig worden afgeleid uit de kwantumchromodynamica (QCD). In de praktijk zijn de huidige computationele en wiskundige benaderingen voor het oplossen van QCD in energiezuinige systemen zoals de kernen zeer beperkt., Dit is toe te schrijven aan de faseovergang die tussen hoog-energetische quark materie en laag-energetische hadronische materie voorkomt, die perturbatieve technieken onbruikbaar maakt, die het moeilijk maken om een nauwkeurig QCD-afgeleid model van de krachten tussen nucleonen te construeren. De huidige benaderingen zijn beperkt tot fenomenologische modellen zoals de Argonne V18 potentiaal of chirale effectieve veldentheorie.
- zelfs als de kernkracht goed beperkt is, is een aanzienlijke hoeveelheid rekenkracht nodig om de eigenschappen van kernen ab initio nauwkeurig te berekenen., Ontwikkelingen in de veellichaamtheorie hebben dit mogelijk gemaakt voor veel lage massa en relatief stabiele kernen, maar verdere verbeteringen in zowel rekenkracht als wiskundige benaderingen zijn vereist voordat zware kernen of zeer onstabiele kernen kunnen worden aangepakt.
historisch gezien zijn experimenten vergeleken met relatief ruwe modellen die noodzakelijkerwijs onvolmaakt zijn. Geen van deze modellen kan experimentele gegevens over nucleaire structuur volledig verklaren.
De kernstraal (R) wordt beschouwd als een van de basisgrootheden die een model moet voorspellen., Voor een stabiele kernen (geen halo kernen of andere instabiele vervormd kernen) de nucleaire straal is ongeveer evenredig met de vierkantswortel van de massa (Een) van de kern, en in het bijzonder in de kernen met zijn vele kerndeeltjes, als ze regelen in de meer bolvormige configuraties:
De stabiele kern heeft ongeveer een constante dichtheid en dus de nucleaire straal R kan worden benaderd door de volgende formule
R = r 0 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}
waar A = Atomaire massa-nummer (het nummer van Z protonen plus het aantal neutronen N) en r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10-15 m., In deze vergelijking varieert de “constante” r0 met 0,2 fm, afhankelijk van de kern in kwestie, maar dit is minder dan 20% verandering ten opzichte van een constante.met andere woorden, het verpakken van protonen en neutronen in de kern geeft ongeveer hetzelfde resultaat als het verpakken van harde bollen van een constante grootte (zoals knikkers) in een strakke bolvormige of bijna bolvormige zak (sommige stabiele kernen zijn niet helemaal bolvormig, maar zijn bekend als prolaatachtig).,
modellen van nucleaire structuur omvatten:
Liquid drop modelEdit
vroege modellen van de kern zagen de kern als een roterende vloeibare druppel. In dit model, de trade-off van lange afstand elektromagnetische krachten en relatief korte afstand nucleaire krachten, veroorzaken samen gedrag dat lijkt op oppervlaktespanning krachten in vloeibare druppels van verschillende grootte., Deze formule is succesvol in het verklaren van vele belangrijke fenomenen van kernen, zoals hun veranderende hoeveelheden bindingsenergie als hun grootte en samenstelling veranderen (zie semi-empirische massaformule), maar het verklaart niet de speciale stabiliteit die optreedt wanneer kernen speciale “magische getallen” van protonen of neutronen hebben.
De termen in de semi-empirische massaformule, die kan worden gebruikt om de bindingsenergie van vele kernen te benaderen, worden beschouwd als de som van vijf soorten energieën (zie hieronder)., Het beeld van een kern als een druppel niet-drukbare vloeistof geeft ruwweg de waargenomen variatie van de bindingsenergie van de kern weer:
Volume-energie. Wanneer een samenstel van nucleonen van dezelfde grootte tot het kleinste volume wordt samengepakt, heeft elk interieur nucleon een bepaald aantal andere nucleonen die ermee in contact komen. Dus, deze kernenergie is evenredig met het volume.
oppervlakte-energie. Een nucleon aan de oppervlakte van een kern interageert met minder andere nucleonen dan één in het binnenland van de kern en vandaar is zijn bindende energie minder., Deze term oppervlakte-energie houdt daar rekening mee en is dus negatief en is evenredig met de oppervlakte.
Coulomb-energie. De elektrische afstoting tussen elk paar protonen in een kern draagt bij aan het verminderen van de bindingsenergie.
asymmetrie-energie (ook wel Pauli-energie genoemd). Een energie geassocieerd met het Pauli uitsluitingsprincipe., Zonder de Coulomb-energie zou de meest stabiele vorm van kernmateriaal hetzelfde aantal neutronen hebben als protonen, aangezien ongelijke aantallen neutronen en protonen impliceren dat een bepaald type deeltje hogere energieniveaus vult, terwijl lagere energieniveaus vacant blijven voor het andere type.
Koppelingsenergie. Een energie die een correctieterm is die voortvloeit uit de neiging van protonparen en neutronenparen om voor te komen. Een even aantal deeltjes is stabieler dan een oneven getal.,
Shell models and other quantum modelsEdit
een aantal modellen voor de kern zijn ook voorgesteld waarin nucleonen orbitalen bezetten, net als de atomaire orbitalen in de atoomfysica theorie. Deze golfmodellen stellen nucleonen voor als ofwel sizeless puntdeeltjes in potentiële putten, of anders waarschijnlijkheidsgolven zoals in het “optisch model”, die wrijvend met hoge snelheid in potentiële putten cirkelen.,
in de bovenstaande modellen kunnen de nucleonen orbitalen in paren bezetten, omdat het fermionen zijn, wat een verklaring mogelijk maakt voor even/oneven Z-en N-effecten die bekend zijn uit experimenten. De exacte aard en capaciteit van kernschelpen verschilt van die van elektronen in atomaire orbitalen, voornamelijk omdat de potentiaalput waarin de nucleonen bewegen (vooral in grotere kernen) heel anders is dan de centrale potentiaalput die elektronen bindt in atomen., Enige gelijkenis met atomaire orbitale modellen kan worden gezien in een kleine atoomkern zoals die van helium-4, waarin de twee protonen en twee neutronen afzonderlijk 1s orbitalen bezetten analoog aan de 1s orbitaal voor de twee elektronen in het heliumatoom, en ongebruikelijke stabiliteit bereiken om dezelfde reden. Kernen met 5 nucleonen zijn allemaal extreem onstabiel en van korte duur, maar helium-3, met 3 nucleonen, is zeer stabiel, zelfs bij gebrek aan een gesloten 1s orbitale schil. Een andere kern met 3 nucleonen, de triton waterstof-3 is onstabiel en zal vervallen in helium-3 Wanneer geïsoleerd., Zwakke nucleaire stabiliteit met 2 nucleonen {NP} in de 1s orbitaal wordt gevonden in de deuteron waterstof-2, met slechts één nucleon in elk van de proton en neutron potentiaalputten. Terwijl elk nucleon een fermion is, is het {NP} deuteron een boson en volgt dus geen Pauli-uitsluiting voor nauwe verpakking binnen schelpen. Lithium-6 met 6 nucleonen is zeer stabiel zonder een gesloten tweede 1P shell orbitaal. Voor lichte kernen met een totaal nucleongetal van 1 tot 6 vertonen alleen die met 5 Geen enig bewijs van stabiliteit., Waarnemingen van beta-stabiliteit van lichtkernen buiten gesloten omhulsels geven aan dat nucleaire stabiliteit veel complexer is dan eenvoudige sluiting van shell orbitalen met magische aantallen protonen en neutronen.
voor grotere kernen beginnen de schelpen die door nucleonen worden bezet aanzienlijk te verschillen van elektronenschillen, maar niettemin voorspelt de huidige kerntheorie de magische aantallen gevulde kernschillen voor zowel protonen als neutronen. De sluiting van de stabiele schelpen voorspelt ongewoon stabiele configuraties, analoog aan de nobele groep van bijna-inerte gassen in de chemie., Een voorbeeld is de stabiliteit van de gesloten schaal van 50 protonen, waardoor tin 10 stabiele isotopen heeft, meer dan enig ander element. Ook de afstand tot de sluiting van de schelp verklaart de ongewone instabiliteit van isotopen die verre van stabiele aantallen van deze deeltjes hebben, zoals de radioactieve elementen 43 (technetium) en 61 (promethium), die elk worden voorafgegaan en gevolgd door 17 of meer stabiele elementen.
Er zijn echter problemen met het shell-model wanneer een poging wordt gedaan om rekening te houden met nucleaire eigenschappen die ver van gesloten schelpen verwijderd zijn., Dit heeft geleid tot complexe post hoc vervormingen van de vorm van de potentiele put om experimentele gegevens te passen, maar de vraag blijft of deze wiskundige manipulaties eigenlijk overeenkomen met de ruimtelijke vervormingen in reële kernen. Problemen met het shell-model hebben sommigen ertoe gebracht realistische effecten van twee-en drie-lichamen Nucleaire kracht met nucleonclusters voor te stellen en vervolgens de kern op deze basis te bouwen. Drie van deze clustermodellen zijn het 1936 resonerende groepsstructuur model van John Wheeler, Close-Packed Spheron Model van Linus Pauling en het 2D Ising Model van MacGregor.,
consistentie tussen modeledit
zoals bij superfluïd vloeibaar helium, zijn atoomkernen een voorbeeld van een toestand waarin zowel (1) “gewone” deeltjesfysische regels voor volume en (2) niet-intuïtieve kwantummechanische regels voor een golfachtige natuur van toepassing zijn. In superfluïd helium hebben de heliumatomen volume en “raken” elkaar in wezen, maar vertonen tegelijkertijd vreemde bulkeigenschappen, consistent met een Bose–Einstein condensatie., De nucleonen in atoomkernen vertonen ook een golfachtige aard en missen standaard vloeibare eigenschappen, zoals wrijving. Voor kernen gemaakt van hadronen die fermionen zijn, komt Bose-Einstein condensatie niet voor, maar toch kunnen veel nucleaire eigenschappen alleen op dezelfde manier verklaard worden door een combinatie van eigenschappen van deeltjes met volume, naast de wrijvingsloze beweging die kenmerkend is voor het golfachtige gedrag van objecten die gevangen zitten in Erwin Schrödingers kwantum orbitalen.