НаверхПочему ядро атома не круглое?
В учебниках ядра атомов часто изображают круглыми, но оказывается, что они редко бывают сферическими.
С тех пор как атомное ядро было впервые предложено в 1911 году, физики просто предполагали, что оно круглое.
Но действительно ли ядра атомов имеют круглую форму? Интуитивно такая форма кажется логичной, и физики считали, что она хорошо объясняет результаты ранних измерений свойств ядер. Лишь спустя годы начали появляться первые свидетельства того, что картина более сложная.
Для начала давайте изучим строение атома. Ядро, состоящее из скопления протонов и нейтронов в центре атома, в 10 000 раз меньше атома в целом, «как муха в соборе», — сказал Дэвид Дженкинс, физик-ядерщик из Йоркского университета в Великобритании. Несмотря на то, что ядро содержит подавляющую часть массы атома, на первый взгляд оно оказывает очень незначительное влияние на свойства атома. Химические свойства атома определяются его электронной конфигурацией, а любые физические характеристики зависят от того, как он взаимодействует с другими атомами.
По аналогии с электронными оболочками в атомной физике в 1949 году учёные предложили модель ядерных оболочек: протоны и нейтроны находятся в отдельных ядерных оболочках, и при дополнительном поступлении энергии эти частицы могут переходить с одного фиксированного энергетического уровня на другой.
«Но позже стало очевидно, что большая часть поведения ядер описывается тем, что вы называете коллективным поведением, — они ведут себя как единый целостный объект», — рассказал Дженкинс Live Science. В результате ядро в целом может проявлять два типа свойств: оно может вращаться или колебаться.
Спектроскопические методы позволяют обнаружить это вращение в большинстве молекул, измеряя «отпечатки пальцев» различных энергетических уровней вращения. Но сферические объекты выглядят одинаково, в каком бы направлении они ни вращались, поэтому симметричные системы, такие как атомы, не генерируют спектр.
«Единственный способ увидеть вращение ядер — это деформировать ядро, — объяснил Дженкинс. — И люди увидели, что у ядра есть паттерны возбуждения, известные как полосы вращения, что указывало на деформацию ядра».
С момента этого поразительного открытия, сделанного в 1950-х годах, в ходе целенаправленных экспериментов было обнаружено множество форм ядер, от груш до M&M’s, и круглая форма является скорее исключением, чем правилом. Около 90 % ядер имеют форму американского футбольного мяча — технически это называется «продолговатая деформация» — в состоянии с наименьшей энергией, и лишь немногие из них имеют противоположную форму — сплюснутую сферу, похожую на M&M’s, — которая называется «сплюснутая деформация».
«Мы не знаем, почему вытянутая форма кажется более предпочтительной, чем сплюснутая, — сказал Дженкинс. — Некоторые ядра имеют несколько форм, поэтому в основном состоянии они могут принимать одну из них, а затем, когда вы вкладываете в них энергию, они деформируются и принимают другую форму».
Более экзотическая грушевидная форма ядра встречается только в определённых областях таблицы Менделеева, в частности вокруг радия, в то время как сферические ядра обычно характерны для атомов с «магическими» числами (или 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, — сказал Пол Стивенсон, физик-ядерщик из Университета Суррея в Великобритании. — Но на самом деле в случае с ядрами удивительно, что они вообще сферические, ведь они подчиняются законам квантовой механики».
Уравнение Шрёдингера — один из фундаментальных принципов квантовой механики — математически предсказывает, как волновая функция объекта будет меняться с течением времени, и, по сути, даёт возможность оценить возможное движение и положение этого объекта. Решение этого уравнения для атомного ядра позволяет получить облако вероятностей для всех возможных мест его нахождения, которые в совокупности дают представление о форме ядра.
«Основные решения уравнения Шрёдингера не выглядят сферическими — получаются такие формы, которые как бы движутся по кругу, но затем начинают колебаться, — объяснил Стивенсон. — Поскольку эти квантовые волновые функции сами по себе асимметричны, частицы в ядре с большей вероятностью будут двигаться в одном направлении.»
В редких случаях, когда ядра имеют сферическую форму, эта волнистость компенсируется. Но учёные пока не понимают, почему одни деформированные формы встречаются гораздо чаще других, и есть ли вообще такая причина.
«Это переворачивает всё с ног на голову, — сказал Дженкинс. — Это полный разворот от того, как люди изначально воспринимали ядра, и здесь по-прежнему остаётся много открытых вопросов».
