chociaż powszechnie uważa się, że standardowy model fizyki całkowicie opisuje skład i zachowanie jądra, generowanie prognoz z teorii jest o wiele trudniejsze niż w większości innych dziedzin fizyki cząstek elementarnych. Wynika to z dwóch powodów:
- zasadniczo fizyka wewnątrz jądra może być wyprowadzona całkowicie z chromodynamiki kwantowej (QCD). W praktyce jednak obecne podejścia obliczeniowe i matematyczne do rozwiązywania QCD w systemach niskoenergetycznych, takich jak jądra, są bardzo ograniczone., Wynika to z przejścia fazowego między wysokoenergetyczną materią kwarkową a niskoenergetyczną materią hadronową, co sprawia, że techniki perturbacyjne są bezużyteczne, co utrudnia skonstruowanie dokładnego modelu sił QCD między nukleonami. Obecne podejścia są ograniczone do modeli fenomenologicznych, takich jak potencjał Argonne v18 lub chiralna efektywna teoria pola.
- nawet jeśli siła jądrowa jest dobrze ograniczona, wymagana jest znaczna ilość mocy obliczeniowej, aby dokładnie obliczyć właściwości jąder ab initio., Rozwój teorii wielu ciał umożliwił to dla wielu jąder o niskiej masie i stosunkowo stabilnych jądrach, ale konieczne są dalsze ulepszenia zarówno mocy obliczeniowej, jak i podejścia matematycznego, zanim można będzie rozwiązać ciężkie jądra lub wysoce niestabilne jądra.
historycznie eksperymenty porównywano do stosunkowo prymitywnych modeli, które z konieczności są niedoskonałe. Żaden z tych modeli nie potrafi w pełni wyjaśnić danych eksperymentalnych dotyczących struktury jądrowej.
promień jądrowy (R) jest uważany za jedną z podstawowych wielkości, które każdy model musi przewidzieć., Dla stabilnych jąder (Nie jąder halo lub innych niestabilnych jąder zniekształconych) promień jądrowy jest mniej więcej proporcjonalny do pierwiastka sześcianu liczby masowej (a) jądra, a szczególnie w jądrach zawierających wiele nukleonów, ponieważ są one rozmieszczone w bardziej sferycznych konfiguracjach:
stabilne jądro ma w przybliżeniu stałą gęstość i dlatego promień jądrowy R może być przybliżony według następującego wzoru:
R = R 0 A 1 / 3 {\displaystyle r=r_{0}a^{1/3}\,}
Gdzie A = R = r_ {0} a ^ {1/3}\,}
Liczba atomowa (liczba protonów z plus liczba neutronów n) i R0 = 1,25 FM = 1,25 × 10-15 m., W tym równaniu „stała” r0 zmienia się o 0,2 fm, w zależności od danego jądra, ale jest to mniej niż 20% zmiana od stałej.
innymi słowy, pakowanie protonów i neutronów w jądrze daje w przybliżeniu taki sam wynik całkowitej wielkości, jak pakowanie twardych kul o stałej wielkości (jak kulki) do ciasnego kulistego lub prawie kulistego worka (niektóre stabilne jądra nie są całkiem kuliste, ale wiadomo, że są wydłużone).,
modele struktury jądrowej obejmują:
Model kropli Cieczudytuj
wczesne modele jądra postrzegały jądro jako obracającą się kroplę cieczy. W tym modelu, kompromis sił elektromagnetycznych dalekiego zasięgu i stosunkowo krótkiego zasięgu sił jądrowych, razem powodują zachowanie, które przypominało siły napięcia powierzchniowego w kroplach cieczy o różnych rozmiarach., Formuła ta jest skuteczna w wyjaśnianiu wielu ważnych zjawisk jąder, takich jak ich zmieniające się ilości energii wiązania w miarę zmian ich wielkości i składu( patrz semi-empiryczny wzór masy), ale nie wyjaśnia szczególnej stabilności, która występuje, gdy jądra mają specjalne „magiczne liczby” protonów lub neutronów.
pojęcia zawarte w semi-empirycznym wzorze masy, które można wykorzystać do przybliżenia energii wiązania wielu jąder, są uważane za sumę pięciu rodzajów energii (patrz poniżej)., Wtedy obraz jądra jako kropli niezrozumiałej cieczy z grubsza odpowiada obserwowanej zmienności energii wiązania jądra:
energii objętości. Gdy zespół nukleonów o tej samej wielkości jest upakowany razem w najmniejszą objętość, każdy nukleon wewnętrzny ma pewną liczbę innych nukleonów w kontakcie z nim. Więc ta energia jądrowa jest proporcjonalna do objętości.
Energia powierzchniowa. Nukleon na powierzchni jądra oddziałuje z mniejszą liczbą innych nukleonów niż jeden we wnętrzu jądra, a zatem jego energia wiązania jest mniejsza., Ten termin energii powierzchniowej bierze to pod uwagę, a zatem jest ujemny i jest proporcjonalny do powierzchni.
Coulomb Energy. Odpychanie elektryczne pomiędzy każdą parą protonów w jądrze przyczynia się do zmniejszenia jego energii wiązania.
Energia asymetrii (zwana też energią Pauli). Energia związana z zasadą wykluczenia Pauli., Gdyby nie Energia Coulomba, najbardziej stabilna forma materii jądrowej miałaby taką samą liczbę neutronów jak protony, ponieważ nierówna liczba neutronów i protonów oznacza wypełnienie wyższych poziomów energii dla jednego typu cząstek, pozostawiając niższe poziomy energii wolne dla drugiego typu.
Energia, która jest terminem korekcyjnym, wynikającym ze skłonności par protonów i neutronów do występowania. Parzysta liczba cząstek jest bardziej stabilna niż liczba nieparzysta.,
modele powłok i inne modele kwantoweedytuj
zaproponowano również szereg modeli dla jądra atomowego, w których nukleony zajmują orbitale, podobnie jak orbitale atomowe w teorii fizyki atomowej. Te modele falowe wyobrażają sobie, że nukleony są albo bezwymiarowymi cząstkami punktowymi w studniach potencjalnych, albo też falami prawdopodobieństwa, jak w „modelu optycznym”, krążącymi bez tarcia z dużą prędkością w studniach potencjalnych.,
w powyższych modelach nukleony mogą zajmować orbitale w parach, ze względu na to, że są fermionami, co pozwala na wyjaśnienie efektów parzystych / nieparzystych Z I N dobrze znanych z eksperymentów. Dokładna natura i pojemność powłok jądrowych różni się od tych elektronów w orbitalach atomowych, przede wszystkim dlatego, że studnia potencjału, w której poruszają się nukleony (zwłaszcza w większych jądrach) jest zupełnie inna od centralnej studni potencjału elektromagnetycznego, która wiąże elektrony w atomach., Pewne podobieństwo do modeli orbitali atomowych można zaobserwować w małym jądrze atomowym, takim jak hel-4, w którym dwa protony i dwa neutrony zajmują orbitale 1s analogiczne do orbitali 1s dla dwóch elektronów w atomie helu i osiągają niezwykłą stabilność z tego samego powodu. Jądra z 5 nukleonami są bardzo niestabilne i krótkotrwałe, jednak hel-3 z 3 nukleonami jest bardzo stabilny nawet przy braku zamkniętej powłoki orbitalnej 1s. Inne jądro z 3 nukleonami, Tryton Wodór-3 jest niestabilny i rozpada się do helu-3 po wyizolowaniu., Słaba stabilność jądrowa z 2 nukleonami {np} w orbitalu 1s znajduje się w deuteronowym wodorze-2, z tylko jednym nukleonem w każdej studni potencjału protonowego i neutronowego. Podczas gdy każdy nukleon jest fermionem, {np} deuteron jest bozonem, a więc nie podlega wykluczeniu Pauli dla Bliskiego zapakowania w powłoki. Lit – 6 z 6 nukleonami jest wysoce stabilny bez zamkniętego drugiego orbitala powłoki 1P. Dla jąder lekkich o całkowitej liczbie nukleonów od 1 do 6 tylko te z liczbą 5 nie wykazują pewnych dowodów stabilności., Obserwacje stabilności beta lekkich jąder poza zamkniętymi skorupami wskazują, że stabilność jądrowa jest znacznie bardziej złożona niż proste zamknięcie orbitali skorupy z magiczną liczbą protonów i neutronów.
dla większych jąder, powłoki zajmowane przez nukleony zaczynają się znacznie różnić od powłok elektronowych, niemniej jednak, obecna teoria jądrowa przewiduje magiczną liczbę wypełnionych powłok jądrowych zarówno dla protonów, jak i neutronów. Zamknięcie stabilnych powłok przewiduje niezwykle stabilne konfiguracje, analogiczne do szlachetnej grupy gazów prawie obojętnych w chemii., Przykładem jest stabilność zamkniętej powłoki 50 protonów, która pozwala cynie mieć 10 stabilnych izotopów, więcej niż jakikolwiek inny pierwiastek. Podobnie, odległość od zamknięcia powłoki wyjaśnia niezwykłą niestabilność izotopów, które mają daleko od stabilnej liczby tych cząstek, takich jak pierwiastki radioaktywne 43 (TechNet) i 61 (promet), z których każdy jest poprzedzony i następuje przez 17 lub więcej stabilnych pierwiastków.
istnieją jednak problemy z modelem powłoki, gdy podejmowana jest próba uwzględnienia właściwości jądrowych daleko od zamkniętych powłok., Doprowadziło to do skomplikowanych post-hoc zniekształceń kształtu potencjalnej studni pasującej do danych eksperymentalnych, ale pozostaje pytanie, czy te matematyczne manipulacje rzeczywiście odpowiadają deformacjom przestrzennym w rzeczywistych jądrach. Problemy z modelem powłoki skłoniły niektórych do zaproponowania realistycznych efektów siły jądrowej dwóch i trzech ciał z udziałem klastrów nukleonowych, a następnie zbudowania jądra na tej podstawie. Trzy takie modele klastrów to rezonujący model struktury grupy z 1936 roku Johna Wheelera, Model Sferonu Linusa Paulinga oraz model 2D Isinga MacGregora.,
spójność między modelamiedit
podobnie jak w przypadku nadfluidowego ciekłego helu, jądra atomowe są przykładem stanu, w którym stosuje się zarówno (1) „zwykłe” fizyczne reguły cząstek dla objętości, jak i (2) nieintuicyjne kwantowe reguły mechaniczne dla natury przypominającej falę. W nadfluidowym helu atomy helu mają objętość i zasadniczo” dotykają się”, ale jednocześnie wykazują dziwne właściwości masowe, zgodne z kondensacją Bosego-Einsteina., Nukleony w jądrach atomowych również wykazują charakter falowy i brak standardowych właściwości płynów, takich jak tarcie. Dla jąder zbudowanych z Hadronów, które są fermionami, kondensacja Bosego-Einsteina nie zachodzi, niemniej jednak wiele właściwości jądrowych można wyjaśnić tylko w podobny sposób przez kombinację właściwości cząstek o objętości, oprócz ruchu beztarciowego charakterystycznego dla falowego zachowania obiektów uwięzionych w orbitalach kwantowych Erwina Schrödingera.