Ядра атомов на самом деле не круглые: что говорят ученые

С момента первой теории атомного ядра, предложенной в 1911 году, физики интуитивно считали, что оно имеет круглую форму. Эта гипотеза казалась логичной и хорошо объясняла ранние измерения ядерных свойств. Однако, с течением времени и развитием научных методов, начали появляться первые доказательства, указывающие на значительно более сложную картину.

Видео дня

Современные исследования показывают, что представление о сферическом ядре было ошибочным. Для лучшего понимания этого открытия, важно вспомнить архитектуру атома, отмечает издание Live Science.

Ядро, состоящее из протонов и нейтронов, расположено в центре атома и примерно в 10 000 раз меньше атома в целом, по сравнению с "мухой в соборе", как объясняет Дэвид Дженкинс, физик-ядерщик из Йоркского университета. Хотя ядро содержит подавляющее большинство массы атома, на первый взгляд, оно оказывает незначительное влияние на химические и физические свойства атома, которые определяются электронной конфигурацией и взаимодействием с другими атомами.

Параллельно с идеей электронных оболочек, в 1949 году ученые предложили модель ядерной оболочки. Согласно ей, протоны и нейтроны существуют в разных ядерных оболочках, и дополнительная энергия может возбуждать эти частицы, заставляя их переходить между фиксированными энергетическими уровнями.

Коллективное поведение и деформация ядра

Однако, как отмечает Дженкинс, со временем стало очевидно, что большая часть поведения в ядрах описывается их коллективным поведением - они действуют как один целостный объект. Это означает, что ядро как целое может вращаться или вибрировать.

Спектроскопические методы могут обнаружить это вращение у большинства молекул, измеряя отражение различных уровней энергии вращения. Но сферические объекты выглядят одинаково, независимо от того, в какую сторону их повернуть, поэтому симметричные системы, такие как атомы, не генерируют спектр. "Единственный способ увидеть признаки вращения в ядрах - это если ядро деформировано", - пояснил Дженкинс. "И люди увидели, что ядро имеет закономерности возбуждения, известные как вращательные полосы, поэтому это указывало на деформацию ядра".

С момента этого поразительного открытия в 1950-х годах, целенаправленные эксперименты выявили огромное разнообразие форм ядер, от грушевидных до похожих на драже M&M's. Круглая форма оказалась скорее исключением, чем правилом. Около 90% ядер в своем самом низком энергетическом состоянии имеют форму американского футбольного мяча, что технически называется "вытянуто-деформированной". Удивительно мало ядер имеют противоположную сплющенную сферическую, похожую на M&M's форму, которую называют сплюснуто-деформированной.

Ученые до сих пор не могут объяснить, почему вытянутая форма является более благоприятной, чем сплющенная. Некоторые ядра также могут менять форму: проявлять одну в основном состоянии, а затем деформироваться в другую, если в них вложить дополнительную энергию.

Более экзотические формы, такие как грушевидные ядра, ограничены определенными участками ядерной карты, в частности вокруг радия. Сферические же ядра обычно встречаются в атомах с "магическим" числом ядерных частиц, то есть с полными оболочками.

"Интуитивно понятно, что основная форма объекта, который не возбуждается, не колеблется и не растягивается, должна быть сферической", — замечает Пол Стивенсон, физик-ядерщик из Университета Суррея. "Но на самом деле, в случае ядер, странно, что любое из них является сферическим, поскольку оно подчиняется законам квантовой механики". Уравнение Шредингера, один из самых фундаментальных принципов квантовой механики, предусматривает, как волновая функция объекта будет меняться со временем, что в совокупности и придает форму ядру.

Как объясняет Стивенсон, "базовые решения уравнения Шрёдингера не выглядят сферическими - вы получаете эти формы, которые как будто движутся по кругу, но потом они начинают волноваться". Это объясняется тем, что квантовые решения волновой функции сами по себе имеют асимметрию, заставляя частицы в ядре более склоняться к определенному направлению. Лишь для редких сферических ядер эта волнистость компенсируется.

Тем не менее ученые до сих пор не до конца понимают, почему некоторые из этих деформированных форм встречаются гораздо чаще, чем другие.

OBOZ.UA предлагает узнать, почему ученые считают, что сутки увеличатся на час.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.