Jaderné modely

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 27. července 2018; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Jaderné modely  jsou metody pro popis vlastností atomových jader založené na reprezentaci jádra jako fyzikálního objektu s předem určenými charakteristickými vlastnostmi. Vzhledem k tomu, že jádro je soustavou dostatečně velkého počtu silně interagujících a k sobě blízkých částic ( nukleonů ), které se zároveň skládají z kvarků , je teoretický popis takového systému velmi obtížný úkol. Použití modelů umožňuje dosáhnout přibližného pochopení procesů probíhajících za účasti atomových jader a uvnitř nich. Existují různé modely jádra, z nichž každý je schopen popsat pouze omezený soubor jaderných vlastností. Některé modely se dokonce vzájemně vylučují.

Nejznámější modely

Drop model

To bylo navrženo Nielsem Bohrem v roce 1936 jako součást teorie složeného jádra [1] . Podle této teorie může být atomové jádro reprezentováno jako kulovitá rovnoměrně nabitá kapka speciální jaderné hmoty, která má nestlačitelnost, saturaci jaderných sil, "vypařování" nukleonů ( neutronů a protonů ), připomínající kapalinu . Tento model vyvinul Yakov Frenkel a později John Wheeler , na jeho základě Karl Weizsäcker získal semiempirický vzorec pro vazebnou energii atomového jádra , nazvaný po něm Weizsäckerův vzorec . Model kapky je makroskopická teorie, nebere v úvahu mikroskopickou strukturu jádra, jako je rozložení jaderných obalů .

Model dobře popisuje nejdůležitější vlastnosti jader - vlastnost nasycení, tedy úměrnost vazebné energie těžkých jader k hmotnostnímu číslu A = N + Z; závislost jaderného poloměru R na A: , příčiny jaderného štěpení a jejich mechanismus, nízkoenergetické jaderné reakce procházející Bohrovým složeným jádrem, ale nepopisuje některé pojmy ve vzorci pro jadernou vazebnou energii, např. párovací energie, nevysvětluje existenci a zvláštní stabilitu magických jader [2] . Také kapkový model není vhodný pro kvantitativní popis energetických spekter excitovaných stavů jader [3] .

Model skořepiny

V roce 1932 navrhl Dmitrij Ivaněnko spolu s Jevgenijem Gaponem , v roce 1949 doplnili Marii Goeppert-Mayer a Hans Jensen . Podobně jako v teorii obalové struktury atomu , ve které elektrony vyplňují elektronové obaly , a jakmile se obal naplní, vazebná energie pro další elektron se výrazně sníží. Jádro je podle modelu soustava nukleonů pohybujících se nezávisle ve zprůměrovaném poli vytvořeném silovým působením zbývajících nukleonů. Každý nukleon je v určitém individuálním kvantovém stavu charakterizovaném energií, momentem hybnosti j, jeho projekcí m na jednu ze souřadnicových os a orbitálním momentem hybnosti l = j ± 1/2. Energie hladiny nezávisí na průmětu momentu hybnosti na vnější osu, takže každá energetická hladina s momenty j, l může obsahovat (2j + 1) nukleony tvořící (j, l) obal. Soubor energeticky blízkých úrovní tvoří obal jádra. Když počet protonů nebo neutronů dosáhne magického čísla odpovídajícímu náplni další slupky, vzniká možnost náhlé změny některých veličin charakterizujících jádro (zejména vazebné energie). Fyzikálním důvodem periodicity je Pauliho princip , který zakazuje, aby dva identické fermiony byly ve stejném stavu.

Skořápkový model umožnil vysvětlit spiny a magnetické momenty jader, odlišnou stabilitu atomových jader i periodicitu změn jejich vlastností a je použitelný pro popis lehkých a středních jader, stejně jako jader v základní stav [4] .

Model nevysvětluje deformovaná jádra.

Kolektivní model jádra

Navrhli v roce 1952 Aage Bohr a B. Mottelson. Vznikl na základě kapkového modelu. Považuje jádro za jádro tvořené nukleony vyplněných slupek a vnějšími nukleony pohybujícími se v poli vytvořeném nukleony jádra. Model vysvětlil podstatu nízko položených excitací jader, které jsou interpretovány jako dynamická deformace povrchu.

Generalizovaný model jádra

Navrhli v roce 1952 Aage Bohr a B. Mottelson. Velké kvadrupólové momenty některých jader vysvětlila tím, že vnější nukleony takových jader deformují jádro, které se prodlužuje nebo zplošťuje.

Rotační model

Podle experimentálních dat v rozsahu hmotnostních čísel 150 < A < 190 a A > 200 jsou kvadrupólové momenty jader extrémně velké a liší se od hodnot předpovídaných skořápkovým modelem desítkykrát. Ve stejném rozsahu hodnot A se závislost energie spodních excitovaných stavů jader na spinu jádra podobá závislosti energie rotujícího vrcholu na jeho momentu rotace. Podle modelu se předpokládá, že jádro není sférické.

Podstatnou vlastností rotačního modelu je kombinace rotace celého jádra jako celku s pohybem jednotlivých nukleonů v nesférickém potenciálním poli. V tomto případě se předpokládá, že rotace celého jádra probíhá poměrně pomalu ve srovnání s rychlostí nukleonů. Rotační model umožňuje popsat řadu podstatných vlastností velké skupiny jader, přičemž samotný fakt vzniku rotačního spektra (fakt rotace celého jádra jako celku) zůstává nevysvětlen.

Model supratekutého jádra

Navrhli v roce 1958 Aage Bohr a J. Valatin. Podle tohoto modelu, stejně jako párování elektronů v kovech vede k supravodivosti , má párování nukleonů za následek supratekutost jaderné hmoty. V jádrech je párování nukleonů se stejnými hodnotami kvantových čísel (j, l) a s opačnými projekcemi celkového momentu hybnosti nukleonu rovným -j, -j + 1, ... j-1, j se předpokládá. Fyzikálním důvodem párování je interakce částic pohybujících se po jednotlivých drahách.

Model uspokojivě vysvětluje jak absolutní hodnoty momentů setrvačnosti, tak jejich závislost na deformačním parametru P.

Model klastrů (model nukleonových asociací)

Vznikl v druhé polovině 30. let 20. století. Jeho podstatou je předpoklad, že jádro se skládá ze shluků α-částic , což se používá k vysvětlení vlastností některých lehkých jader. Předpokládá se například, že jádro lithia 6 Li tráví značnou část svého času ve formě deuteronu a α-částice rotující vůči těžišti jádra.

Statistický model jádra

V roce 1936 navrhl Jakov Frenkel a v roce 1937 Lev Landau . Při vysoké excitační energii je počet úrovní ve středních a těžkých jádrech velký a vzdálenosti mezi úrovněmi jsou malé. Závislost hustoty energetických hladin je popsána metodami statistické fyziky, uvažující excitaci jako ohřev Fermiho kapaliny nukleonů. Model je použitelný pro popis rozložení energetických hladin a pravděpodobnostního rozložení emise fotonů při přechodu mezi vysoko položenými excitovanými stavy jádra, umožňuje zohlednit korekce spojené s přítomností slupek v jádře.

Optický model jádra

Používá se k popisu pružného rozptylu nukleonů na jádrech a přímých jaderných reakcí probíhajících s charakteristickými jadernými časy s. Jádro je reprezentováno jako poloprůhledná koule s určitými koeficienty lomu a absorpce. Když částice narazí na takovou kouli, zažije všechny typy interakcí, které jsou charakteristické pro šíření světla v poloprůhledném optickém prostředí: odraz, lom a absorpci.

Vibrační model

Slouží k vysvětlení spektra kolektivních excitací kulových jader v důsledku povrchových a kvadrupólových kmitů kapky kapaliny, která je chápána jako jádro.

Poznámky

  1. ↑ N. Bor . Záchyt neutronů a struktura jádra  // UFN . — 1936 . - T. 14 , č.p. 4 , č. 4 . - S. 425-435 .
  2. ↑ Jaderné modely
  3. ↑ "Modely atomových jader"
  4. ↑ Přednášky profesora I. N. Beckmana

Literatura

Odkazy