deși se crede că modelul standard al fizicii descrie complet compoziția și comportamentul nucleului, generarea de predicții din teorie este mult mai dificilă decât pentru majoritatea celorlalte domenii ale fizicii particulelor. Acest lucru se datorează două motive:
- În principiu, fizica dintr-un nucleu poate fi derivată în întregime din cromodinamica cuantică (QCD). Cu toate acestea, în practică, abordările computaționale și matematice actuale pentru rezolvarea QCD în sistemele cu consum redus de energie, cum ar fi nucleele, sunt extrem de limitate., Acest lucru se datorează tranziției de fază care apare între mare energie quark materie și energie joasă hadronic contează, ceea ce face perturbative tehnici inutilizabile, ceea ce face dificil de a construi o precisă QCD derivate din modelul de forțe între nucleoni. Abordările actuale sunt limitate fie la modele fenomenologice, cum ar fi potențialul Argonne v18, fie la teoria câmpului chiral eficient. chiar dacă forța nucleară este bine constrânsă, este necesară o cantitate semnificativă de putere de calcul pentru a calcula cu exactitate proprietățile nucleelor ab initio., Evoluțiile din teoria multor corpuri au făcut acest lucru posibil pentru multe nuclee cu masă mică și relativ stabile, dar sunt necesare îmbunătățiri suplimentare atât în puterea computațională, cât și în abordările matematice înainte ca nucleele grele sau nucleele foarte instabile să poată fi abordate.din punct de vedere istoric, experimentele au fost comparate cu modele relativ brute care sunt neapărat imperfecte. Nici unul dintre aceste modele nu poate explica complet datele experimentale privind structura nucleară.raza nucleară (R) este considerată a fi una dintre Cantitățile de bază pe care orice model trebuie să le prezică., Stabile nuclee (nu halo nuclei sau alte instabil distorsionat nuclee) raza nucleului este de aproximativ proporțională cu rădăcina cub de numărul de masă (a) din nucleu, și în special în nuclee care conțin mulți nucleoni, cum se aranja în mai multe configurații sferice:
nucleu stabil are aproximativ o densitate constantă și, prin urmare, nucleare de raza R poate fi aproximată prin formula următoare,
R = r 0 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}
în cazul în care A = masa Atomică numărul (numărul de protoni Z, plus numărul de neutroni N) și r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10-15 m., În această ecuație,” Constanta ” r0 variază cu 0,2 fm, în funcție de nucleul în cauză, dar aceasta este mai mică de 20% schimbare de la o constantă.
cu alte cuvinte, ambalare protoni și neutroni în nucleul oferă aproximativ aceeași mărime ca urmare ambalare greu sfere de dimensiuni constante (cum ar fi marmura) într-o strânsă sferice sau aproape sferice sac (unele stabile nuclee nu sunt destul sferice, dar sunt cunoscute a fi prolate).,modelele structurii nucleare includ:
model de picătură de Lichidedit
Articol principal: formula de masă semi-empiricămodelele timpurii ale nucleului au privit nucleul ca o picătură de lichid rotativă. În acest model, compromisul forțelor electromagnetice cu rază lungă de acțiune și forțele nucleare cu rază relativ scurtă, împreună provoacă un comportament care semăna cu forțele de tensiune superficială în picături lichide de diferite dimensiuni., Această formulă este de succes în a explica numeroase fenomene de nuclee, cum ar fi schimbarea lor cantități de energie de legătură ca mărimea lor și de schimbări de compoziție (vezi semi-empirice formula în masă), dar nu explica stabilitatea special care apare atunci când nuclee speciale „numere magice” de protoni sau neutroni.termenii din formula de masă semi-empirică, care pot fi folosiți pentru a aproxima energia de legare a multor nuclee, sunt considerați ca suma a cinci tipuri de energii (vezi mai jos)., Apoi, imaginea unui nucleu ca o picătură de lichid incompresibil reprezintă aproximativ variația observată a energiei de legare a nucleului:
volumul de energie. Atunci când un ansamblu de nucleoni de aceeași dimensiune este ambalat împreună în cel mai mic volum, fiecare nucleon interior are un anumit număr de alți nucleoni în contact cu acesta. Deci, această energie nucleară este proporțională cu volumul.
energia de suprafață. Un nucleon de la suprafața unui nucleu interacționează cu mai puțini nucleoni decât unul din interiorul nucleului și, prin urmare, energia sa de legare este mai mică., Acest termen de energie de suprafață ia în considerare acest lucru și, prin urmare, este negativ și este proporțional cu suprafața.energia Coulomb. Repulsia electrică dintre fiecare pereche de protoni dintr-un nucleu contribuie la scăderea energiei sale de legare.energia asimetrică (numită și energie Pauli). O energie asociată cu principiul excluderii Pauli., Dacă nu ar fi energia Coulomb, cea mai stabilă formă de materie nucleară ar avea același număr de neutroni ca protonii, deoarece un număr inegal de neutroni și protoni implică umplerea unor niveluri mai mari de energie pentru un tip de particulă, lăsând în același timp niveluri mai scăzute de energie vacante pentru celălalt tip.
energie de împerechere. O energie care este un termen de corecție care rezultă din tendința de perechi de protoni și perechi de neutroni să apară. Un număr par de particule este mai stabil decât un număr impar.,
Shell modele și alte cuantice modelsEdit
articol Principal: Nuclear shell modelO serie de modele de nucleu, de asemenea, au fost propuse în care nucleonii ocupă orbitali, la fel ca atomica orbitalii în fizica atomică teorie. Aceste val modele imagina nucleoni să fie fie nu au dimensiuni specifice punctul de particule în potențialul wells, altfel probabilitatea de valuri, ca în „optice model”, frictionlessly deplasându-se cu viteză mare în potențialul wells.,în modelele de mai sus, nucleonii pot ocupa orbitalii în perechi, datorită faptului că sunt fermioni, ceea ce permite explicarea efectelor Z și N par/impare bine cunoscute din experimente. Natura exactă și capacitatea învelișurilor nucleare diferă de cele ale electronilor din orbitalii atomici, în primul rând deoarece fântâna potențială în care nucleonii se mișcă (în special în nucleele mai mari) este destul de diferită de Fântâna centrală a potențialului electromagnetic care leagă electronii în atomi., Unele asemănări cu modelele orbitale atomice pot fi observate într-un mic nucleu atomic precum cel al heliului-4, în care cei doi protoni și doi neutroni ocupă separat orbitalii 1s analogi orbitalului 1s pentru cei doi electroni din atomul de heliu și obțin o stabilitate neobișnuită din același motiv. Nucleele cu 5 nucleoni sunt extrem de instabile și de scurtă durată, totuși, heliul-3, cu 3 nucleoni, este foarte stabil chiar și cu lipsa unei cochilii orbitale închise 1s. Un alt nucleu cu 3 nucleoni, hidrogenul triton-3 este instabil și se va descompune în heliu-3 atunci când este izolat., Stabilitatea nucleară slabă cu 2 nucleoni {NP} în orbitalul 1s se găsește în hidrogenul deuteron-2, cu un singur nucleon în fiecare dintre puțurile potențiale de protoni și neutroni. În timp ce fiecare nucleon este un fermion, {NP} deuteron este un boson și, prin urmare, nu urmează excluderea Pauli pentru ambalarea strânsă în cochilii. Litiu-6 cu 6 nucleoni este foarte stabil fără un al doilea orbital închis 1P. Pentru nucleele ușoare cu numărul total de nucleoni de la 1 la 6, numai cele cu 5 nu prezintă unele dovezi de stabilitate., Observațiile privind beta-stabilitatea nucleelor ușoare în afara cochililor închise indică faptul că stabilitatea nucleară este mult mai complexă decât simpla închidere a orbitalilor de coajă cu numere magice de protoni și neutroni.pentru nucleele mai mari, cojile ocupate de nucleoni încep să difere semnificativ de cojile de electroni, dar cu toate acestea, teoria nucleară actuală prezice numărul magic de cochilii nucleare umplute atât pentru protoni, cât și pentru neutroni. Închiderea cojilor stabile prezice configurații neobișnuit de stabile, analog cu grupul nobil de gaze aproape inerte din chimie., Un exemplu este stabilitatea cochiliei închise de 50 de protoni, ceea ce permite staniului să aibă 10 izotopi stabili, mai mult decât orice alt element. În mod similar, distanța de la închiderea cochiliei explică instabilitatea neobișnuită a izotopilor care au departe de numerele stabile ale acestor particule, cum ar fi elementele radioactive 43 (technețiu) și 61 (prometiu), fiecare dintre acestea fiind precedat și urmat de 17 sau mai multe elemente stabile.cu toate acestea, există probleme cu modelul shell atunci când se încearcă luarea în considerare a proprietăților nucleare departe de cochilii închise., Acest lucru a dus la distorsiuni post-hoc complexe ale formei potențialului bine pentru a se potrivi datelor experimentale, dar rămâne întrebarea dacă aceste manipulări matematice corespund de fapt deformărilor spațiale din nucleele reale. Problemele cu modelul shell i-au determinat pe unii să propună efecte realiste de forță nucleară cu două corpuri și trei corpuri care implică clustere nucleonice și apoi să construiască nucleul pe această bază. Trei astfel de modele de cluster sunt modelul de structură a grupului rezonant din 1936 al lui John Wheeler, Modelul Sferon aproape ambalat al lui Linus Pauling și modelul 2D Ising al lui MacGregor.,ca și în cazul heliului lichid superfluid, nucleele atomice sunt un exemplu de stare în care se aplică atât (1) Reguli fizice ale particulelor „obișnuite” pentru volum, cât și (2) reguli mecanice cuantice non-intuitive pentru o natură asemănătoare undelor. În heliul superfluid, atomii de heliu au volum și, în esență, se „ating” reciproc, dar în același timp prezintă proprietăți ciudate în vrac, în concordanță cu o condensare Bose–Einstein., Nucleonii din nucleele atomice prezintă, de asemenea, o natură asemănătoare undelor și nu au proprietăți standard ale fluidului, cum ar fi frecarea. Pentru nuclee făcut de hadroni care sunt fermioni, Bose-Einstein condens nu se produce, dar cu toate acestea, multe proprietăți nucleare poate fi explicat doar în mod similar printr-o combinație de proprietăți de particule cu volum, în plus față de mișcare fără frecare caracteristice de val ca un comportament de obiecte prinse în Erwin Schrödinger cuantice orbitali.