Ликбез RnD.CNews: почему ядро атома не круглое

Когда 1911 году впервые было предложено существование атомного ядра, физики просто предположили, что оно круглое. Но действительно ли ядра атомов круглые? Интуитивно эта форма имеет смысл, и ученые считали, что она удачно объясняет ранние измерения ядерных свойств. Только спустя годы начали появляться первые свидетельства более сложной картины.

Сначала рассмотрим архитектуру атома. Образованное из кластера протонов и нейтронов в центре атома, ядро ​​в 10 000 раз меньше атома в целом. Несмотря на то, что ядро ​​содержит подавляющее большинство массы атома, на первый взгляд оно оказывает очень малое влияние на свойства атома. Химия атома определяется электронной конфигурацией, в то время как любые физические характеристики возникают из того, как он взаимодействует с другими атомами.

Параллельно с идеей электронных оболочек в атомной физике, в 1949 году ученые предложили модель ядерных оболочек: протоны и нейтроны находятся в отдельных ядерных оболочках, а дополнительный ввод энергии может возбуждать эти частицы, заставляя их прыгать вверх и вниз между фиксированными уровнями энергии.

Но позднее стало очевидно, что большая часть поведения в ядрах описывается тем, что называется коллективным поведением. В результате ядро ​​в целом может проявлять два типа свойств: оно может вращаться или вибрировать. Спектроскопические методы могут обнаружить это вращение в большинстве молекул, измеряя отпечаток различных уровней вращательной энергии. Но сферические объекты выглядят одинаково, в каком бы направлении они ни были повернуты, поэтому симметричные системы, такие как атомы, не генерируют спектр.

Единственный способ увидеть доказательства вращения в ядрах — это если ядро ​​деформировано. И если можно увидеть, что ядро ​​имеет паттерны возбуждения (вращательные полосы), то это указывает на деформацию ядра.

После этого открытия в 1950-х годах целенаправленные эксперименты выявили множество форм ядер атома, от грушевидной до напоминающей конфеты M&Ms. Причем круглая форма является скорее исключением, чем правилом. Около 90% ядер имеют форму мяча для регби, технически ее называют «вытянутой деформированной», и на удивление малое количество ядер принимает форму сплющенной сферы, похожей на M&Ms («сплющенную деформированную»).

Ученым неизвестно, почему вытянутая форма встречается чаще, чем сплющенная. Некоторые ядра также имеют несколько форм, поэтому они могут проявлять одну в основном состоянии, а затем к ним прикладывается немного энергии, и они деформируются в другую форму.

Более экзотическое грушевидное ядро ​​ограничено определенными областями ядерной карты, особенно вокруг радия, в то время как сферические ядра, как правило, ограничены атомами с полными оболочками ядерных частиц. Но что вызывает деформацию?

Интуитивно кажется, что основная форма объекта, который не возбуждается, не колеблется и не растягивается, должна быть сферической. Но на самом деле, в случае с ядрами как раз редкость, когда они имеют сферическую форму.