Ядро атомное. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ядро атомное - центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (нуклонов). В Я. а. сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер порядка 10^-13 -10^-12 см. Ядра имеют положит. электрич. заряд, кратный абс. величине заряда электрона е: Q = Ze. Целое число Z совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов. Я. а. было открыто Э. Резерфордом (Е. Rutherford) в 1911 в опытах по рассеянию a-частиц при прохождении их через вещество.

Состав ядра

Вскоре после открытия нейтрона Дж. Чедвиком (J. Chadwick, 1932), Д. Д. Иваненко и В. Гёйзенбергом (W. Heisenberg) независимо было высказано фундаментальное предположение о том, что ядро атома состоит из протонов (р) и нейтронов (n). Общее число нуклонов в ядре атома называется массовым числом A, число протонов в ядре равно заряду ядра Z, число нейтронов N = A - Z. Ядра с одинаковыми зарядами Z и разным числом нейтронов наз. изотопами, ядра с разными Z и одинаковыми N-изотопами, ядра с одинаковыми А и разными Z и N-изобарами. По совр. представлениям, протон и нейтрон состоят из кварков и глюонов и Я. а.- сложная система из большого кол-ва кварков, глюонных и мезонных полей, взаимодействующих друг с другом. Последовательное описание Я. а. должно достигаться в рамках квантовой хромодинамики. Однако в силу своей сложности эта задача ещё не решена.

Составная природа нуклонов проявляется лишь в столкновениях с большой передачей импульса и энергии. При небольших энергиях возбуждения такие столкновения в ядре редки. Поэтому при описании Я. а. и ядерных реакций, происходящих при не слишком больших энергиях (<= 1 ГэВ на нуклон), в первом приближении можно считать, что ядра состоят из вполне определённого числа нуклонов, движущихся с нерелятивистскими скоростями (u²/c²~0,l). Кварки "заперты" каждый в своём нуклоне. Нуклоны не теряют своей индивидуальности и обладают примерно такими же свойствами, как и в свободном состоянии (за нек-рыми исключениями, см. ниже). Протонно-нейтронная картина строения Я. а. является приближённой и нарушается при высоких энергиях возбуждения и в процессах с большой передачей импульса и энергии.

В обычных условиях отклонения от протонно-нейтрон-ной модели, связанные с составной природой нуклонов и кварк-глюонной структурой Я. а., невелики и заключаются в следующем. 1) В результате взаимодействия между нуклонами последние могут существовать в Я. а. не только в основном, но и в возбуждённых состояниях, наз. н у к л о н н ы м и и з о б а р а м и. Низшим из них по энергии является т. н. D-изобара (см. Резонансы ).Часть времени (~ 1%) нуклоны в ядре могут пребывать в виде нуклонных изобар. 2) Запирание кварков в нуклонах не является абсолютным, в ядре могут на короткое время образовываться сгустки кварк-глюонной материи (флуктоны ),состоящие из 6, 9 и т. д. кварков (см. Кварк-глюонная плазма ).3) Свойства нуклонов, связанных в ядре, могут отличаться от свойств свободных нуклонов. Как показывают эксперименты по глубоко неупругому рассеянию (см. Глубоко неупругие процессы) лептонов на ядрах, структурные функции нуклонов в ядре, характеризующие распределение кварков по импульсам в нуклоне, отличаются от структурных функций свободных нуклонов (эффект ЕМС - Европейской Мюонной Коллаборации, ЦЕРН, 1982). Одно из возможных объяснений эффекта ЕМС основано на гипотезе об увеличении радиуса нуклона в ядре по сравнению со свободным нуклоном. 4) В ядрах периодически на время 10^-23-10^-24 с появляются (виртуальные) мезоны ,в т. ч. пи-мезоны .Исследование ненуклонных степеней свободы ядра - осн. предмет совр. исследований в релятивистской ядерной физике.

Ядерные силы

Нуклоны являются адронами, т. е. принадлежат к числу частиц, испытывающих сильное взаимодействие. Взаимодействие между нуклонами, удерживающее их в ядре, т. е. ядерные силы ,возникает в результате взаимодействия между составными частями (кварки, глю-оны), к-рые образуют нуклоны. Теория ядерных сил на основе кварковых представлений находится в стадии становления и пока не завершена.

Традиционная мезонная теория ядерных сил основана на идее, предложенной в 1935 X. Юкавой (Н. Yukawa). Согласно мезонной теории, взаимодействие между нуклонами осуществляется путём обмена мезонами. Ядерные силы характеризуются радиусом действия; он определяется ком-птоновской длиной волны мезонов, к-рыми обмениваются нуклоны,

, где m - масса мезона. Наиб. радиус действия имеют силы притяжения, обусловленные обменом я-мезонами. Для них l_с=1,41 Фм (1 Фм=10^-13 см). Это соответствует расстоянию между нуклонами в ядрах. Обмен более тяжёлыми мезонами (r, w и др.) оказывает влияние на взаимодействие между нуклонами на меньших расстояниях, вызывая, в частности, отталкивание между ними на расстояниях <=0,4 Фм.

Размеры ядер

Размеры ядер зависят от числа нуклонов в ядре и изменяются в пределах от 10^-13 до 10^-12 см. Эксперим. данные показывают, что ср. плотность нуклонов (число нуклонов в единице объёма) почти одинакова во всех ядрах с А>=20. Это означает, что объём ядра пропорционален А, а его радиус R пропорционален А^1/3:

где постоянная а близка к радиусу действия ядерных сил. Различают зарядовый радиус ядра, т. е. ср. радиус распределения протонов в ядре, и радиус распределения ядерного вещества (радиус распределения нуклонов независимо от их сорта). Первый измеряется в экспериментах с электромагнитным взаимодействием (рассеяние электронов высоких энергий на ядрах, исследование уровней мюонных атомов), что даёт значение а =1,12 Фм; второй - в ядерных реакциях с участием адронов (рассеяние нуклонов, a-частиц, взаимодействие p- и К-мезонов с ядрами и др.). При этом получают несколько большее значение а =1,2- 1,4 Фм. Ср. плотность ядерного вещества очень велика и составляет ~ 10¹⁴ г/см³.

Эксперименты по рассеянию быстрых электронов на ядрах позволили не только определить ср. размеры ядра, но и детально исследовать распределение заряда r(r)в ядре. Эксперим. результаты лучше согласуются не с однородным распределением заряда в ядре, а с т. н. фермиев-ским распределением:

где R₀ = 1,1 А^1/3 Фм. Это распределение показывает, что плотность заряда почти постоянна во внутр. области (r<R₀) тяжёлого или ср. ядра и экспоненциально спадает за её пределами. Параметр b = 0,5 Фм характеризует "размытость" поверхности ядра; он почти одинаков для всех ядер и означает, что "толщина" ядерной поверхности (интервал, на к-ром плотность заряда убывает от 90% до 10% значения r₀ = 0,17 нуклон/Фм³) составляет 2,2 Фм. Ф-лы (1,2) описывают зависимость радиуса ядра R и плотности заряда r(r)от А в среднем и не учитывают индивидуальных особенностей строения ядер. Последние могут привести к нерегулярностям в изменении R. В частности, из измерений изотопических сдвигов энергий атомных уровней следует, что иногда радиус ядра может даже уменьшаться при добавлении двух нейтронов (напр., радиус ядра ⁴⁸Са меньше радиуса ⁴⁶Са). Измерение изотопич. сдвигов уровней атомов и мезоатомов дало возможность оценить изменение радиуса ядра в возбуждённом состоянии. Как правило, по мере возбуждения ядра его радиус увеличивается, но незначительно (доли %). Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что распределения протонов и нейтронов в ядре практически одинаковы. Но в тяжёлых ядрах из-за больших кулоновских сил и связанного с ними избытка нейтронов радиус распределения нейтронов может немного превышать радиус распределения заряда (нейтронное гало). Подобное гало может возникать также в лёгких ядрах, перегруженных нейтронами (¹¹Li).

Энергия связи и масса ядра

Энергией связи ядра

наз. энергия, к-рую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отд. нуклоны. Она равна умноженной на с² разности суммарной массы всех нуклонов, входящих в состав ядра, и массы М самого ядра:

Здесь т_р, т_n - массы протона и нейтрона. Энергия связи ядра примерно пропорц. числу нуклонов в ядре, а уд. энергия связи

/А почти постоянна (для большинства ядер

/A~6-8 МэВ). Это свойство, называемое насыщением ядерных сил, означает, что нуклон в ядре эффективно взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только с нек-рым ограниченным их числом (в противном случае уд. энергия связи была бы пропорц. А).

Постоянство плотности и уд. энергии связи ядра сближает свойства ядра со свойствами жидкости. Это сходство легло в основу модели ядра как жидкой капли (капельная модель ядра ),исходя из к-рой К. Ф. фон Вайцзеккер (С. F. von Weizsacker) в 1935 предложил полуэмпирич. ф-лу (Вайцзеккера формула)для энергии связи ядра:

Здесь первый член описывает объёмную энергию "капли", второй - характеризует ослабление связи для нуклонов, находящихся на поверхности ядра, третий член описывает вклад кулоновской энергии капли радиусом R~A^1/3 и с зарядом Z. Четвёртый член (т. н. энергия симметрии) не имеет классич. аналога и отражает тот факт, что притяжение между нуклонами разного сорта в ср. сильнее, чем для одинаковых нуклонов. Это вместе с Паули принципом делает энергетически невыгодным значит. отклонение N от Z. Пятый член называется энергией спаривания:

Он воспроизводит опытный факт, что четно-чётные ядра (Z и N чётные) связаны сильнее, чем соседние четно-нечётные, а последние, в свою очередь, более устойчивы, чем нечётно-нечётные ядра.

Совр. значения параметров ф-лы Вайцзеккера: b₁ = 15,75 МэВ, b₂ = 17,8 МэВ, b₃ = 0,71 МэВ, b₄ = 23,7 МэВ. Ф-ла (4) в ср. хорошо описывает энергии связи ядер, ограничивает значением Z²/A ~ 46 область существования ядер, устойчивых по отношению к делению. Однако она не учитывает индивидуальных особенностей оболочечной структуры ядра. Эти эффекты можно учесть методом оболочечной поправки Струтинского, предсказывающим возможность существования так называемых островов стабильности сверхтяжёлых ядер при Z~114 (см. Трансурановые элементы).

Квантовые характеристики ядерных уровней

Ядро атома при энергиях ниже порога распада (с испусканием нуклона, a-частицы и т. п.) может находиться только в дискретных состояниях с определ. энергией, характеризующихся набором квантовых чисел, задающих значения сохраняющихся величин (интегралов движения) в этих состояниях. Выше порога распада ядра дискретные состояния становятся нестационарными и проявляются в ядерных реакциях как резонансы конечной ширины.

Наиб. важными характеристиками ядерных состояний являются спин ядра (или момент кол-ва движения, называемый также угловым моментом ядра) I и чётность p = + 1. Спин / измеряется в единицах

и принимает полуцелые значения (I= ¹/₂, ³/₂, ...) У нечётных ядер и целочисленные значения (I=0, 1, 2, ....) у чётных ядер. Чётность p указывает на симметрию волновой функции y ядерного состояния относительно зеркального отражения пространства Р (см. Пространственная инверсия): Рy = py. В связи с этим для ядерных состояний указывают объединённую характеристику I^p. Эмпирически установлено, что осн. состояния четно-чётных ядер имеют характеристику 0⁺ . Спины и чётности нечётных ядер, как правило, объясняются моделью оболочек (см. ниже). Строго говоря, чётность не является точным квантовым числом, поскольку она не сохраняется при слабом взаимодействии. За счёт сил электрослабого взаимодействия между нуклонами происходит смешивание состояний с одним и тем же спином I и противоположными чётностями. Однако вследствие малости сил, нарушающих чётность, указанное смешивание мало и им можно пренебречь при рассмотрении спектров ядерных уровней, разнообразных ядерных реакций и переходов, за исключением процессов, направленных специально на изучение явления несохранения чётности в ядрах.

Ещё одной важной, хотя и приближённой ядерной характеристикой является изотопический спин (или изобарический спин) Т, к-рый складывается из изоспинов отд. нуклонов по тем же правилам, что и обычный спин. Сохранение этой величины связано с изотопической инвариантностью ядерных сил, к-рая состоит в том, что ядерные взаимодействия между двумя нуклонами в одинаковых пространств. и спиновых состояниях не зависят от сорта нуклонов, т. е. одинаковы в парах рр, рп и пп. Изотопич. спин (изоспин) может принимать значения T>=(N-Z)/2, целые для чётных ядер и полуцелые для нечётных. Подобно обычному спину, он имеет также фиксированную проекцию на одну из осей формального изоспинов. пространства T_Z = (A - 2Z)/2. Она связана с зарядом ядра и поэтому является строго сохраняющейся величиной во всех ядерных состояниях. В отличие от этого, изоспин Т является приближённым квантовым числом. Нарушение изоспина (т. е. смешивание компонент с разл. значениями Т в волновой функции ядерного состояния) обусловлено различием масс протона и нейтрона, а также кулоновским взаимодействием между протонами. В лёгких ядрах с Z<=20 эти эффекты малы и изоспин Т является достаточно точным квантовым числом. В результате ядерные состояния можно характеризовать квантовыми числами Т и T_Z, a состояния с одинаковыми значениями I^p, Т в соседних ядрах-изобарах объединить в изотопические мультиплеты. Поскольку проекция изоепина принимает значения T_Z=T, Т-1, ...., - T, то в изотопич. мульти-плет входит 2Т+1 уровней.

Опытным путём установлено, что энергия возбуждения ядерного состояния тем выше, чем больше изоспин. Поэтому в осн. состоянии ядра Т= T_Z и у четно-чётных ядер с Z=N T=0. Ядра с T=¹/₂ и T_Z = b¹/₂ образуют изодуб-лет (напр., ³Н - ³Не). Примером изотриплета могут служить осн. состояние 0⁺ (Т=1, Т_Z= 1) ядра ⁶Не, возбуждённое состояние 0⁺ (Т= 1, T_Z = 0)ядра ⁶Li (энергия возбуждения 3,56 МэВ) и осн. состояние ядра ⁶Ве (Т=1, T_Z=-1). В ядерной физике принято приписывать нуклону изоспин Т=¹/₂ и значения Т_Z=¹/₂ нейтрону, T_Z=-¹/₂ протону, в отличие от физики элементарных частиц, где используются противоположные знаки проекций изоспина нуклона. Это сделано из соображений удобства, чтобы значения T_Z были положительны для стабильных ядер, у к-рых N> Z.

Состояния ядер, входящих в состав одного изотопич. мультиплета, наз. аналоговыми состояниями. Вследствие изотопич, инвариантности ядерных сил структура (чисто ядерная) этих состояний одинакова, а все отличия в их свойствах обусловлены эл--магн. взаимодействием. Напр., энергии связи аналоговых состояний одинаковы с точностью до различия кулоновских энергий в ядрах данного мультиплета. С увеличением Z возрастает роль кулонов-ского взаимодействия. Поэтому в тяжёлых ядрах точность изоепина как квантового числа уменьшается. Тем не менее следы изоспиновой симметрии проявляются в том, что в разл. ядерных реакциях наблюдаются открытые в 1961 состояния, нестабильные по отношению к испусканию нуклона, к-рые являются аналогами основного или низших стабильных возбуждённых состояний соседнего ядра с меньшим Z (аналоговые резонансы). Напр., при рассеянии протонов на стабильном ядре А с числами нейтронов и протонов N и Z (T₀ = T_Z = (N-Z)/2) наблюдаются резонансы, отвечающие образованию составного ядра А+1 (Z+l, N)в возбуждённом состоянии с квантовыми числами T=T₀ + ¹/₂, T_Z=T₀ - ¹/₂, входящем в тот же изотопич. мультиплет, что и осн. состояние соседнего ядра А + 1(N+1, Z), T=T_Z=T₀ + ¹/₂. Однако эксперименты показали, что аналоговые резонансы имеют тонкую структуру, к-рая свидетельствует о том, что имеет место смешивание аналогового состояния, характеризуемого изоспином T₀ +¹/₂ c др. возбуждёнными состояниями составного ядра, отвечающими изоспину Т=Т₀ - ¹/₂.

Электрические и магнитные моменты ядер

В каждом из возможных состояний ядро атома имеет определённые значения магнитного дипольного момента и квадрупольного электрического момента (см. Квадрупольный момент ядра). Статич. магн. момент может быть отличен от 0 только в том случае, когда спин ядерного состояния I

0, а статич. квадруполь-ный момент может иметь ненулевое значение лишь при I> ¹/₂. Ядерное состояние с определ. чётностью не может иметь отличного от нуля электрич. дипольного момента (Е1), а также др. электрич. моментов El нечётной муль-типольности l и статич. магн. моментов Ml чётной муль-типольности l. Существование ненулевого электрич. дипольного момента E1 запрещено также инвариантностью относительно обращения времени (T-инвариантность). Поскольку эффекты несохранения чётности и нарушения T-инвариантности очень малы, то дипольные электрич. моменты ядер или равны 0, или очень малы и пока недоступны для измерения.

Магн. моменты ядер (M1) имеют порядок величины ядерного магнетона .Электрич. квадрупольные моменты eQ изменяются от е•10^-27 см² в нек-рых лёгких ядрах до е•10^-24 см² в тяжёлых деформированных ядрах. Систематическая информация о магн. и квадрупольных моментах имеется только для осн. состояний ядер. Они могут быть измерены радиоспектроскопич. методами (см. Ядерный магнитный резонанс ). Спец. методами (метод возмущённых угловых корреляций) можно измерять также статич. магн. и квадрупольные моменты возбуждённых состояний ядер. Данные по магн. и квадруполь-ным моментам ядер содержат важную информацию о структуре и форме ядер и используются для построения и проверки ядерных моделей. Есть нек-рые данные о высших мультипольных моментах ядер (напр., гексадека-польных - Е4).

Структура и модели ядер

Ядро атома представляет собой квантовую систему многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теоретическое описание свойств такой системы (спектров энергетических уровней, распадов, ядерных реакций и квантовых переходов) является трудной задачей. Число нуклонов А в ядре не столь велико, чтобы можно было без оговорок использовать методы статистической механики (см. Гиббса распределения ), успешно применяемой в физике конденсированных сред (жидкости, твёрдые тела). В то же время точное решение в квантовой механике возможно лишь для задачи двух тел (дейтрон ).Успехи, достигнутые в решении задачи 3-4 тел гл. обр. с помощью ур-ний Фаддеева и Фаддеева-Якубовского, позволяют получать строгие количеств. результаты лишь для самых лёгких ядер ³Н, ³Не, ⁴Не. Ситуация осложняется недостаточной определённостью наших знаний о ядерных силах. Наконец, установление составной природы нуклонов превращает систему А нуклонов в систему, по крайней мере, 3А кварков, что ещё более усложняет задачу описания структуры и свойств ядер. Последовательное решение этой задачи может быть достигнуто только в рамках (непертурбативной) квантовой хромодинамики, но она ещё далека от разрешения.

Понимание структуры ядра основано на использовании разл. ядерных моделей, каждая из к-рых имеет целью описание определ. совокупности ядерных свойств и характеристик. Нек-рые модели, на первый взгляд, являются взаимоисключающими. Поэтому важными являются микро-скопич. подходы в теории ядра, позволяющие установить пределы применимости разл. моделей, степень их совместимости друг с другом, а также оценить или вычислить, исходя из первых принципов, значения параметров, к-рые используются в моделях как феноменологические и извлекаются из данных эксперимента.

Оболочечная модель ядра предполагает, что в результате взаимодействия нуклонов друг с другом в ядре формируется общее среднее (самосогласованное) поле, описываемое оболочечным потенциалом V_o6(r), в к-ром нуклоны движутся как независимые (в первом приближении) частицы. Каждый из нуклонов заполняет одну из орбит, характеризуемую орбитальным моментом l (в случае сферически симметричного ср. поля), полным угл. моментом j=l+ ¹/₂ и чётностью p = (- 1)^l. Энергия нуклона на орбите lj не зависит от проекции т полного момента нуклона j (-j<=m<=j). Поэтому в соответствии с принципом Паули на каждом уровне с энергией

(nlj)может находиться 2j+1 нуклонов одного сорта, образующих протонную (или нейтронную) подоболочку (nlj), где п=1, 2,...- гл. квантовое число (радиальное).

Неск. близких по энергии подоболочек группируются в оболочки, отделённые друг от друга большими энерге-тич. интервалами. Полный момент I для k нуклонов в оболочке получается путём сложения моментов j отд. нуклонов. В заполненной оболочке моменты всех нуклонов компенсируют друг друга и допустимо только одно значение полного момента I= 0. Подобно атомам благородных газов, обладающих заполненными электронными оболочками, ядра, состоящие из заполненных нуклонных оболочек, также характеризуются особой устойчивостью (большой уд. энергией связи). В основном и низколежащих возбуждённых состояниях ядер низшие одночастичные орбиты заполнены и образуют "инертный" остов ядра, сверх к-рого есть нек-рое число нуклонов в ближайшей незаполненной оболочке. Подобно тому как валентные электроны определяют хим. свойства атомов, спектры низших уровней и их свойства в большинстве ядер определяются "валентными" нуклонами из незаполненных оболочек.

Простейший вариант модели оболочек (одночастичная модель) представляет нечётное ядро как совокупность четно-чётного остова в состоянии 0⁺ и нечётного нуклона на орбите nlj. Тогда спин нечётного ядра в осн. состоянии равен j, а чётность p = (- 1)^l. Систематика спинов и чёт-ностей нечётных ядер позволяет определить последовательность заполнения орбит в ядрах, а также энергии этих орбит. Это дало возможность установить осн. характеристики и форму оболочечного потенциала V_o6(r). В частности, М. Гёпперт-Майер (М. Goeppert-Mayer, США) и И. X. Йенсеном (J. H. Jensen, ФРГ) в 1949-50 была установлена необходимость включения в оболочечный потенциал спин-орбитального взаимодействия V_co(r) (ls). Только при учёте сильного спин-орбитального расщепления одночастичных состояний удаётся объяснить систематику спинов ядер и последовательность заполнения орбит, а также магич. числа протонов или нейтронов, отвечающие заполненным оболочкам (см. Магические ядра ).Магич. числа (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) соответствуют после-доват. заполнению нуклонами одного сорта оболочек:

В скобках указана совокупность близких по энергии одно-частичных состояний, образующих одну оболочку. Оболочки отделены друг от друга энергетич. щелью, значительно превышающей расстояние между уровнями в пределах одной оболочки (рис. 1).

Центр. часть оболочечного потенциала представляет собою потенц. яму конечной глубины, форма к-рой повторяет распределение ядерной плотности. Чаще всего в качестве оболочечного потенциала используют т. н. потенциал Саксона - Вудса:

с V₀

50 МэВ. При описании связанных состояний нуклонов его можно приближённо заменить потенциалом гар-монич. осциллятора или прямоуг. ямой и использовать при описании свойств ядерных состояний волновые функции нуклонов для этих простых оболочечных потенциалов.

Модель оболочек удовлетворительно описывает магн. моменты нечётных ядер, к-рые, согласно опытным данным, лежат между т. н. линиями Шмидта. Линиями Шмидта наз. зависимости магн. дипольных моментов нуклонов М от угл. момента j при данном l=jb ¹/₂ (рис. 2). Несколько хуже описываются электрич. квадрупольные моменты ядерных состояний. Последнее связано с тем, что потенциал V_o6(r) предполагался первоначально сферически симметричным.

Несферичность ядер. Ротационная модель

Особенно велики квадрупольные моменты Q ядер с I>¹/₂ в области редких земель (150<A<190) и актинидов (А>200). Они превышают значения, предсказываемые моделью оболочек со сферич. потенциалом V_об, в 10-100 раз. Энергии низших уровней этих ядер удовлетворяют "вращательному закону":

который описывает спектр вращательных уровней жёсткого симметричного волчка с моментом инерции J (см. Вращательное движение ядра ).Состояния такого волчка с угл. моментами I=K, K+ 1, К+2, ... образуют вращат. полосу, характеризуемую определ. значением проекции угл. момента на ось симметрии волчка I₃ = К. Исключение составляют полосы с К=0, для к-рых допустимы только чётные или только нечётные значения угл. момента I. В частности, на осн. состояниях четно-чётных ядер базируются вращат. полосы с К=0 и значениями I^p = 0⁺ , 2⁺ , 4⁺, ... Между соседними уровнями вращат. полос имеют местo сильные электрич. квадрупольные (Е2) g-переходы.

Эти факты послужили основой для построения коллективной модели ядра, предложенной в 50-х гг. Дж. Рейнуотером, О. Бором и Б. Моттельсоном (J. Rainwater, A. Bohr, В. R. Mottelson). Согласно этой модели, ядра в указанных выше областях имеют форму эллипсоида вращения с полуосями

где параметр деформации Р характеризует степень несферичности ядра. Он определяет значения статических ква-друпольных моментов ядер, вероятности эл--магн. E2-переходов между вращат. уровнями и значения момента инерции ядра (см. Деформированные ядра). Согласно данным эксперимента, величина b у большинства деформированных ядер находится в пределах 0,1-0,3 (нормальная деформация). С помощью ядерных реакций с тяжёлыми ионами обнаружены возбуждённые вращат. состояния у нек-рых ядер (¹⁵²Dy) с большими угл. моментами I~40-60 (высокоспиновые состояния ядер), к-рые характеризуются чрезвычайно большой деформацией, когда отношение полуосей ядра а₁: а₂ = 2:1 или 3:2 (супердефор-мир. полосы). Нек-рые деформир. ядра (изотопы Os, Pt) не имеют осевой симметрии. Их низшие уровни представляют собою вращат. состояния асимметричного волчка (модель неаксиального ротатора Давыдова-Филиппова). Масштаб вращат. энергий (

²/2J~= 100 кэВ) в тяжёлых деформир. ядрах таков, что момент инерции ядра в состояниях с нормальной деформацией J~10^-27г^.см². Он в 2- 3 раза меньше момента инерции твёрдого эллипсоида соответствующей формы. Это означает, что не вся масса ядра участвует во вращат. движении. В супердеформир. полосах момент инерции близок к твердотельному.

Внутр. структура деформир. ядер описывается моделью оболочек с деформир. потенциалом V_oб (r)(модель Нильс-сона). Изучение зависимости энергии одночастичных орбит нуклонов от деформации в этой модели показывает, что в нек-рых областях периодич. системы элементов ядрам энергетически выгодно быть не сферическими, а деформированными. Величина деформации, предсказываемая теорией, в целом согласуется с экспериментом. На базе колебательных возбуждений деформир. ядра (см. Колебательные возбуждения ядер)возникают новые вращат. полосы (b-полоса с К=0 и g-полоса с К=2). Перестройка заполнения одночастичных орбит в деформир. потенциале порождает возбуждённые вращат. полосы. В результате в спектрах ряда ядер можно выделить значит. число вращат. полос (до 9 в ядре ²³⁵U). Отд. полосы прослежены до весьма высоких значений угл. момента I~25-30. Значит. деформацию, а также вращат. спектры имеют нек-рые относительно лёгкие ядра (напр., ²⁰Ne, ⁴Mg). При изменении параметра деформации ядра b меняется структура оболочек. При больших b (a₁:a₂ = 2:1) одночастичные орбиты группируются в оболочки иначе, чем при нормальных деформациях, появляются новые магич. числа. Ядра, близкие к магическим (напр., ¹⁵²Dy), с такой деформацией относительно устойчивы и могут порождать вращат. полосы. Они были обнаружены экспериментально в виде супердеформир. полос.

Структура вращат. спектров реальных ядер отклоняется от идеального вращательного закона (5)за счёт центробежных эффектов (увеличение момента инерции ядра при возрастании вращат. момента), а также за счёт Кориолиса сил и др. неадиабатич. поправок. Связь движения отд. нуклонов с вращением ядра как целого сказывается на структуре вращат. состояний нечётных ядер уже при небольших значениях b и К, приводя к тому, что их энергии вместо (5) описываются ф-лой

Здесь d_K_,1/2=0 при К

¹/₂ и d_К,_1/2=1 при К= ¹/₂, константа а -эмпирически подбираемый "параметр развязывания", характеризующий связь угл. момента нуклона и вращат. момента ядра.

Сверхтекучая модель ядра

Парные корреляции сверх-проводящего типа возникают в ядре за счёт так называемого остаточного взаимодействия между нуклонами, той части реального нуклон-нуклонного взаимодействия, к-рая не включена в самосогласованный потенциал ср. поля V_об(r). Эмпирически отмечалась энергетич. выгодность двум нуклонам на орбите nlj образовать пару со скомпен-сир. спинами, т.е. с полным моментом I=0. Такая пара подобна куперовской паре электронов с противоположными импульсами в сверхпроводнике. Притяжение между нуклонами в указанных состояниях вблизи поверхности Ферми обусловливает сверхтекучесть атомных ядер.

Детально сверхтекучая модель ядра разработана независимо С. Т. Беляевым и В. Г. Соловьёвым с помощью методов, аналогичных методам теории сверхпроводимости. Одним из проявлений сверхтекучести ядерного вещества может служить наличие энергетич. щели D между сверхтекучим и нормальным состоянием ядерного вещества. Она определяется энергией разрушения куперовской пары и составляет в тяжёлых ядрах ~ 1 МэВ. Со сверхтекучестью ядерного вещества связано также и отличие моментов инерции ядер от твердотельных значений. Сверхтекучая модель ядра удовлетворительно описывает моменты инерции ядер, изменение параметра деформации ядра b по мере заполнения валентной оболочки нуклонами. Сверхтекучесть ядерного вещества, приводящая к размытию ферми-поверхности, существенным образом сказывается на эл--магн. переходах, вероятностях реакций однонуклон-ной (срыв, подхват) и двухнуклонной передачи (см. Прямые ядерные реакции).

Сверхтекучая модель предсказывает разрушение парных корреляций в ядре при достаточно больших спинах (I>>1). Это явление, аналогичное разрушению сверхпроводимости сильным магн. полем, проявляется в скачкообразном возрастании момента инерции J в данной вращат. полосе при нек-ром критич. значении спина I_кр~60. Отчётливо это пока не обнаружено, однако при изучении высокоспиновых состояний ядер (I<=20-30), возбуждаемых в реакциях с тяжёлыми ионами, наблюдалось немонотонное изменение J при возрастании I(обратный загиб). В районе значений спина I_B(~12-16) увеличение угл. момента I приводит не к увеличению угл. скорости вращения w, а к её уменьшению вследствие того, что резко увеличивается момент инерции ядра J. Это изменение связано с тем, что вблизи точки I_B происходит пересечение основной вращат. полосы ядра (К=0⁺ )с возбуждённой полосой, построенной на внутр. состоянии ядра, в к-ром одна из куперовских пар на нейтронной орбите h_11/2 разрушается и спины этих двух нуклонов уже не компенсируют друг друга, а оба выстраиваются параллельно вращат. моменту. При этом меняется деформация ядра, увеличивается момент инерции, изменяются магн. характеристики ядра.

Разрушение пары обусловлено силами Кориолиса, эффект к-рых максимален для нуклонов в оболочках с большими моментами нуклонов j. Обнаружено выстраивание протонов на орбите h_11/2 и нейтронов на орбите i_13/2. Выстраивание двух пар нуклонов приводит ко второму обратному загибу и т. д. Вопрос о характере сверхтекучести ядерного вещества в супердеформир. состояниях находится в стадии исследования.

Другие модели ядра

Наряду с осн. моделями ядра используются более специализир. модели. Кластерная модель трактует структуру нек-рых ядер как своего рода молекулу, состоящую из a-частиц, дейтронов (d), тритонов (t) и др. Напр., ^l2C = 3a, ¹⁶O = 4a, ⁶Li = a+d, ⁷Li = a + t и т.д. (см. Нуклонных ассоциаций модель). Статистическая модель ядра описывает свойства и характеристики высоковозбуждённых состояний ядер, такие, как плотность уровней, температура и т. п.

В модели взаимодействующих бозонов предполагается, что в низших состояниях четно-чётного ядра нуклоны объединяются в S- и D-пары (с моментами 0 и 2), к-рые приближённо можно трактовать как идеальные s- и d-бозоны. Число этих бозонов равно половине числа валентных нуклонов. В этой модели спектр низших коллективных состояний ядра формируется в результате взаимодействия между бозонами. Более рафинированные варианты данной модели включают в себя s-, d-, g-,... бозоны, а также сопоставляют разные бозоны протонным и нейтронным парам. Модель взаимодействующих бозонов позволяет описывать наряду с вращат. и колебат. спектрами также спектры более сложной структуры, характерные для ядер, переходных от сферических ядер к деформированным. Обоснование ядерных моделей и более детальные расчёты свойств ядер производятся с помощью т. н. мик-роскопич. методов (Хартри - Фока метод, метод случайной фазы, теория конечных ферми-систем и т. д.).

Литература по атомному ядру

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.