مدلهای ساختمان هسته‌ای
مدلهای ساختمان هسته‌ای
دید کلی مدلهای متعددی جهت توضیح خواص و واکنش‌های هسته‌ای پیشنهاد شده‌اند. از آنجا که هیچکدام از این مدلها برای توضیح کل مشاهدات تجربی بطور کامل رضایت بخش نیستند. مدلهای مختلفی برای تفسیر پدیده‌های گوناگون هسته‌ای بکار می‌روند. مفیدترین مدلها در مورد ساختمان هسته‌ای عبارتند از مدل لایه با مدل گاز فرمی ، مدل قطره مایع ، مدل اجتماعی ، مدل اپتیکی
مدل لایه مدل لایه بطور مستقل بوسیله M.Mayer و بوسیله H.E.Suess , J.H.Jensen , O.Haxel توسعه یافت. Mayer و Jensen و Wigner جایزه نوبل را در سال 1963 بخاطر کار بر روی این موضوع و انجام مطالعات اساسی در مورد ساختمان هسته‌ای به خود اختصاص دادند. این مدل بر اساس این مشاهده استوار است که هسته‌ها با تعداد خاصی از پروتونها و نوترونها پایداری مخصوص می‌یابند. این تعداد (2 ، 8 ، 20، 28 ، 50 ، 82 و 126) اعداد جادویی هسته‌ای نامیده می‌شوند.برای توجیه این مشاهده ، مدل لایه فرض می‌کند که نوکلئونها خود را در ترازهای انرژی جداگانه‌ای ما بین هسته طوری ترتیب می‌دهند ، هسته طوری ترتیب می‌دهند که مشابه الکترون‌ها و اوربیتال‌های اتم است. پایدارترین آرایه با پر شدن کامل ترازهای هسته‌ای گوناگون برای پروتونها و نوترونها بدست می‌آید. مشاهدات تجربی برای پشتیبانی از این ایده که تعداد جادویی نوکلون‌ها آرایه پایدار بخصوص دارند ، وجود دارد.
- هسته‌های با تعداد جادوئی نوکلئونها دارای فراوانی بالای طبیعی هستند.این حالت مخصوصا برای ایزوتوپهایی که دارای تعداد جادویی پروتونها و نوترونها هستند ، صحت دارد. به این هسته‌ها جادوئی دو گانه گفته می‌شود.
- نوکلئوتیدهایی که دارای تعداد جادویی از نوکلئونها می‌باشند ، غالبا سطح مقطع بندی پایینی از نوترونها دارند ، یعنی ، آنها تمایل بسیار پایینی برای جذب یک نوترون اضافی از خود نشان می‌دهند. این حالت مشابه عدم فعالیت شیمیایی گازهای نادر Ar , Ne , He) و غیره) است ، که دارای لایه آخر پوشیده از الکترون هستند. بر عکس ، هسته‌هایی که فقط یک نوکلئون کمتر از تعداد جادویی دارند، احتمال بسیار بالایی برای جذب یک نوترون دارند.
- در چارت نوکلیدها ، خطوط پر رنگ تعداد جادویی پروتونها را نشان می‌دهند. بررسی چارت نوکلیدها نشان می‌دهد که در حالت‌هایی که تعداد جادویی از پروتونها یا نوترونها یا از هر دو وجود داشته باشد ، غالبا تعداد زیادی نوکلید پایدار وجود دارد.
- در فروپاشی نوترون و پروتون تاخیر ، هسته‌ها ، غالبا منجر به تولید یک نوکلید با تعداد جادویی می‌شود.
- غالبا در اعداد اتمی بالافاصله پایین اعداد جادویی «جزیره‌های ایزومریسم» وجود دارد. بیاد بیاورید که ایزومرهای هسته‌ای ، علت حضور نوکلئونهای جفت نشده غالبا اعداد کوانتومی اسپین هسته‌ای (I) بالایی دارند. گدازه‌های هسته‌ای که در آنها تعویض اسپین بین ترازها بزرگ باشد ، سریعا انجام نمی‌پذیرند ، لذا نیمه عمرها بلند بوده و ایزومرهای زیادی وجود خواهند داشت.
مزیت مدل لایه‌ای مدل لایه هسته ، مشاهدات ذکر شده برای اعداد جادویی را به بهترین نحو نشان می‌دهد. این مدل همچنین برای پیش بینی دقیق اسپین و پادیته نوکلید‌های با A فرد بکار رفته ، و برای انحرافات آنها از شکل کروی دلایل محکم ارائه می‌دهد. مدل لایه برای تغییر و تشریح هسته‌ها در حالات پایه بسیار مفید است.
مدل گاز فرمی این مدل یک مدل آماری از هسته است ، بدین معنی که هسته بعنوان مجموعه‌ای از تعداد آماری زیادی از ذرات در نظر گرفته می‌شود که حرکت‌ها و برهمکنش‌های نوکلئونهای اختصاصی با آن ارتباطی ندارد. نیروهای هسته‌ای بصورت پتانسیل هسته‌ای یا چاه هسته‌ای بیان می‌شود. به نظر می‌رسد که نوکلئونها در چاه پتانسیل در پایینترین حالات ممکن انرژی هستند. هر «گاز» نوکلئون می‌تواند بوسیله انرژی جنبشی بالاترین تراز پر شده بنام تراز فرمی مشخص گردد.
چاه برای نوترونها عمیق‌تر از چاه برای پروتونها است. این امر بدلیل این است که پروتونها ، برخلاف نوترونها تحت تاثیر نیروهای دامنه کولمبی قرار می‌گیرند. مدل گاز فرمی برای مطالعه واکنش‌های هسته‌ای و بعضی از گذارهای فروپاشی مفید است. این همچنین می‌تواند، برای تشخیص و بررسی بعضی از خواص ترمودینامیکی هسته‌های بر انگیخته ، مانن آنروپس هسته‌ای و دما بکار رود. علاوه بر آن ، این مدل تخمین‌های خوبی از توزیع منتوم نوکلئونها را ارائه می‌دهد.با وجود این ، این مدل قادر به پیش بینی‌های خواص حالات کم مقدار مشاهده شده در فروپاشی رادیواکتیو نیست. مدل قطره مایع در اواخر سالهای 1930 بوسیله N.Bohr و J.Wheeler پیشنهاد گردید. در این مدل ، هسته بعنوان یک قطره مایع در نظر گرفته می‌شود. همانند مدل گاز فرمی این مدل نیز یک مدل آماری است که در آن خواص نوکلئونهای اختصاصی مورد ملاحظه قرار نمی‌گیرد.مدل قطره مایع برای توضیح و تفسیر رفتار حالت برانگیخته و ارائه مدلی برای مکانیسم‌های واکنش‌های با انرژی پائین و فرآیندهای شکافت بسیار مفید بوده است. این مدل همچنین اساسی برای مطالعه انرژی بستگی نیمه تجربی Weiszacker ارائه می‌دهد ، مدل قطره مایع قادر به توضیح پدیده‌های لایه و جفت شدن نبوده و نیز بطور مساوی قابل کاربرد برای کلیه هسته‌ها نیست.
مدل اپتیکی این مدل در سالهای 1940 پیشنهاد گردید. هسته در این مدل به عنوان یک توپ کریستال مات دیده می‌شود که می‌تواند ذرات ورودی را منعکس ، منحرف ، جذب ، یا عبور دهد. روش‌های ریاضی متداول در اپتیک برای توضیح این پدیده‌ها که ممکن است در واکنش‌های هسته‌ای رخ دهند، بکار می‌روند. مدل اپتیکی از نظر توضیح نتایج پراکندگی ذرات ورودی بوسیله یک هسته بهترین مدل است. این مدل نمی‌تواند بطور دقیق نتایج را برای پراکندگی غیرالاستیک یا برای واکنشهایی که در آنها یک ذره بوسیله یک هسته جذب می‌گردد ، پیش بینی نماید.
مدل اجتماعی این مدل در اوایل سالهای 1950 بوسیله A.Bohr و B.Mottelson توسعه یافت. این مدل سعی دارد ویژگیهای هر دو مدل لایه و قطر مایع را با در نظر گرفتن هسته بطور کامل ، حرکت‌های اختصاصی نوکلئونهای خارجی تلفیق نماید. این مدل در توضیح و تفسیر ترازهای انرژی چرخشی مشاهده شده در مورد هسته‌های دور از اعداد جادویی موفق بوده است.این مدل همچنین پیش‌بینی‌های خوبی از سطوح مقطع برای برانگیختگی کولمبی و برای انواع خاصی از گذارهای گاما ارائه می‌کند. علاوه بر آن ، این مدل می‌تواند گشتاورهای مغناطیسی ، گشتاورهای چهار قطبی ، و گذارهای ایزومری مشاهده شده برای هسته‌های دور از اعداد جادویی را نیز توضیح دهد
