även om standardmodellen för fysik allmänt tros beskriva kärnans sammansättning och beteende, är det mycket svårare att generera förutsägelser från teorin än för de flesta andra områden av partikelfysik. Detta beror på två orsaker:
- i princip kan fysiken inom en kärna härledas helt från kvantkromodynamik (QCD). I praktiken är dock nuvarande beräkningsmässiga och matematiska metoder för att lösa QCD i lågenergisystem som kärnorna extremt begränsade., Detta beror på den fasövergång som sker mellan hög energi kvark Materia och låg energi hadronic materia, vilket gör störnings tekniker oanvändbar, vilket gör det svårt att konstruera en exakt QCD-härledd modell av krafterna mellan nukleoner. Nuvarande tillvägagångssätt är begränsade till antingen fenomenologiska modeller som Argonne V18 potential eller chiral effektiv fältteori.
- även om kärnkraften är väl begränsad krävs en betydande mängd beräkningskraft för att exakt beräkna egenskaperna hos nuclei ab initio., Utvecklingen i många-kroppsteori har gjort detta möjligt för många låg massa och relativt stabila kärnor, men ytterligare förbättringar i både beräkningskraft och matematiska tillvägagångssätt krävs innan tunga kärnor eller mycket instabila kärnor kan hanteras.
historiskt har experiment jämförts med relativt råa modeller som nödvändigtvis är ofullkomliga. Ingen av dessa modeller kan helt förklara experimentella data om kärnstruktur.
kärnradien (r) anses vara en av de grundläggande kvantiteter som varje modell måste förutsäga., För stabila kärnor (inte halo-kärnor eller andra instabila förvrängda kärnor) är kärnradien ungefär proportionell mot kubroten av kärnans massnummer (A), och särskilt i kärnor som innehåller många nukleoner, eftersom de arrangerar i mer sfäriska konfigurationer:
den stabila kärnan har ungefär en konstant densitet och därför kan kärnradien r approximeras med följande formel,
r = r 0 a 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}a^{1/3}\,}
där A = atommassa antal (antalet protoner Z, plus antalet neutroner n) och R0 = 1,25 FM = 1,25 × 10-15 m., I denna ekvation varierar” konstant ” r0 med 0,2 fm, beroende på kärnan i fråga, men detta är mindre än 20% förändring från en konstant.
med andra ord ger förpackningsproton och neutroner i kärnan ungefär samma totala storlek som att packa hårda sfärer av konstant storlek (som kulor) i en tät sfärisk eller nästan sfärisk väska (vissa stabila kärnor är inte ganska sfäriska, men är kända för att vara prolata).,
modeller av kärnstruktur inkluderar:
flytande droppmodeledit
tidiga modeller av kärnan betraktade kärnan som en roterande vätskedroppe. I denna modell orsakar avvägningen av långdistans elektromagnetiska krafter och relativt korta kärnkrafter, tillsammans beteende som liknade ytspänningskrafter i flytande droppar av olika storlekar., Denna formel är framgångsrik för att förklara många viktiga fenomen av kärnor, såsom deras förändrade mängder av bindande energi som deras storlek och sammansättning förändras (se halv empirisk massformel), men det förklarar inte den speciella stabiliteten som uppstår när kärnor har speciella ”magiska tal” av protoner eller neutroner.
termerna i den semi-empiriska massformeln, som kan användas för att approximera bindningsenergin hos många kärnor, betraktas som summan av fem typer av energier (se nedan)., Då står bilden av en kärna som en droppe inkompressibel vätska ungefär för den observerade variationen av kärnans bindande energi:
Volymenergi. När en sammansättning av nukleoner av samma storlek packas ihop i den minsta volymen har varje inre nukleon ett visst antal andra nukleoner i kontakt med den. Så denna Kärnenergi är proportionell mot volymen.
ytenergi. En nukleon vid ytan av en kärna interagerar med färre andra nukleoner än en i kärnans inre och därmed är dess bindande energi mindre., Denna ytenergiterm tar hänsyn till detta och är därför negativ och står i proportion till ytarean.
Coulomb energi. Den elektriska repulsionen mellan varje par protoner i en kärna bidrar till att minska dess bindande energi.
asymmetri energi (även kallad Pauli energi). En energi i samband med Pauli uteslutningsprincipen., Om det inte var för Coulomb-energin skulle den mest stabila formen av kärnmaterial ha samma antal neutroner som protoner, eftersom ojämlika antal neutroner och protoner innebär att man fyller högre energinivåer för en typ av partikel, samtidigt som lägre energinivåer lämnas lediga för den andra typen.
para ihop energi. En energi som är en korrigeringsperiod som härrör från tendensen hos protonpar och neutronpar att uppstå. Ett jämnt antal partiklar är stabilare än ett udda tal.,
skalmodeller och andra kvantmodelledit
ett antal modeller för kärnan har också föreslagits där nukleoner upptar orbitaler, ungefär som atombanorna i atomfysikteori. Dessa vågmodeller föreställer sig nukleoner att vara antingen storleklösa punktpartiklar i potentiella brunnar, eller annars sannolikhetsvågor som i den ”optiska modellen”, friktionsfriktionsfritt kretsar i hög hastighet i potentiella brunnar.,
i ovanstående modeller kan nukleonerna uppta orbitaler i par, på grund av att de är fermioner, vilket möjliggör förklaring av jämn/udda Z-och N-effekter som är välkända från experiment. Den exakta naturen och kapaciteten hos kärnskal skiljer sig från elektroner i atomiska orbitaler, främst för att potentialen väl där nukleonerna rör sig (särskilt i större kärnor) är helt annorlunda än den centrala elektromagnetiska potentialen väl som binder elektroner i atomer., Vissa likheter med atomära orbitalmodeller kan ses i en liten atomkärna som helium-4, där de två protonerna och två neutroner separat upptar 1s orbitaler som är analoga med 1s orbital för de två elektronerna i heliumatomen och uppnår ovanlig stabilitet av samma anledning. Kärnor med 5 nukleoner är alla extremt instabila och kortlivade, men helium-3, med 3 nukleoner, är mycket stabila även med brist på ett slutet 1s orbitalskal. En annan kärna med 3 nukleoner, tritonväte-3 är instabil och kommer att sönderfalla i helium-3 när den isoleras., Svag kärnstabilitet med 2 nukleoner {NP} i 1s-orbitalen finns i deuteronväte-2, med endast en nukleon i var och en av proton-och neutronpotentialbrunnarna. Medan varje nukleon är en fermion är {NP} deuteron en boson och följer således inte Pauli-uteslutning för nära förpackning inom skal. Litium-6 med 6 nukleoner är mycket stabil utan en sluten andra 1P skal orbital. För lätta kärnor med totalt nukleonnummer 1 till 6 visar endast de med 5 inte några tecken på stabilitet., Observationer av beta-stabilitet av lätta kärnor utanför stängda skal indikerar att kärnstabilitet är mycket mer komplex än enkel stängning av skal orbitaler med magiska antal protoner och neutroner.
för större kärnor börjar skalen som upptas av nukleoner skilja sig avsevärt från elektronskal, men nuvarande kärnteori förutsäger ändå det magiska antalet fyllda kärnskal för både protoner och neutroner. Stängningen av de stabila skalen förutspår ovanligt stabila konfigurationer, analoga med den ädla gruppen av nästan inerta gaser i kemi., Ett exempel är stabiliteten hos det slutna skalet på 50 protoner, vilket gör att tenn kan ha 10 stabila isotoper, mer än något annat element. På samma sätt förklarar avståndet från skalförslutning den ovanliga instabiliteten hos isotoper som har långt ifrån ett stabilt antal av dessa partiklar, såsom de radioaktiva elementen 43 (teknetium) och 61 (prometium), som var och en föregås och följs av 17 eller mer stabila element.
det finns dock problem med skalmodellen när ett försök görs för att redogöra för kärnegenskaper långt ifrån slutna skal., Detta har lett till komplexa post hoc-snedvridningar av potentialens form väl för att passa experimentella data, men frågan kvarstår om dessa matematiska manipuleringar faktiskt motsvarar de rumsliga deformationerna i verkliga kärnor. Problem med skalmodellen har fått några att föreslå realistiska två-kropps-och tre-kropps kärnkraftseffekter som involverar nukleonkluster och sedan bygga kärnan på denna grund. Tre sådana kluster modeller är 1936 Resonerande Koncernens Struktur modell av John Wheeler, Nära-Packade Spheron Modell av Linus Pauling och 2D-Ising-Modell av MacGregor.,
konsekvens mellan modelsEdit
som med fallet med suprafluid flytande helium, atomkärnor är ett exempel på ett tillstånd där både (1) ”vanliga” partikel fysiska regler för volym och (2) icke-intuitiva kvant mekaniska regler för en vågliknande natur gäller. I superfluid helium har heliumatomerna volym och i huvudsak ”rör” varandra, men uppvisar samtidigt konstiga bulkegenskaper, som överensstämmer med en Bose–Einstein kondensation., Nukleonerna i atomkärnor uppvisar också en vågliknande natur och saknar standardvätskeegenskaper, såsom friktion. För kärnor tillverkade av hadroner som är fermioner, inte Bose-Einstein kondens inte förekommer, men ändå, många nukleära egenskaper kan bara förklaras på samma sätt av en kombination av egenskaper hos partiklar med volym, förutom friktionsfri rörelse kännetecknande för vågliknande beteende av föremål fångade i Erwin Schrödingers kvant orbitaler.