Відео дня
Ядра атомів насправді не круглі: що говорять учені
З моменту першої теорії атомного ядра, запропонованої у 1911 році, фізики інтуїтивно вважали, що воно має круглу форму. Ця гіпотеза здавалася логічною і добре пояснювала ранні вимірювання ядерних властивостей. Однак, з плином часу та розвитком наукових методів, почали з'являтися перші докази, що вказували на значно складнішу картину.
Сучасні дослідження демонструють, що уявлення про сферичне ядро було хибним. Для кращого розуміння цього відкриття, важливо згадати архітектуру атома, зазначає видання Live Science.
Ядро, що складається з протонів і нейтронів, розташоване в центрі атома і є приблизно у 10 000 разів меншим за атом в цілому, порівняно з "мухою в соборі", як пояснює Девід Дженкінс, фізик-ядерник з Йоркського університету. Хоча ядро містить переважну більшість маси атома, на перший погляд, воно має незначний вплив на хімічні та фізичні властивості атома, які визначаються електронною конфігурацією та взаємодією з іншими атомами.
Паралельно з ідеєю електронних оболонок, у 1949 році вчені запропонували модель ядерної оболонки. Згідно з нею, протони та нейтрони існують у різних ядерних оболонках, і додаткова енергія може збуджувати ці частинки, змушуючи їх переходити між фіксованими енергетичними рівнями.
Колективна поведінка та деформація ядра
Однак, як зазначає Дженкінс, згодом стало очевидно, що більша частина поведінки в ядрах описується їхньою колективною поведінкою – вони діють як один цілісний об'єкт. Це означає, що ядро як ціле може обертатися або вібрувати.
Спектроскопічні методи можуть виявити це обертання у більшості молекул, вимірюючи відбиток різних рівнів енергії обертання. Але сферичні об'єкти виглядають однаково, незалежно від того, в який бік їх повернути, тому симетричні системи, такі як атоми, не генерують спектр. "Єдиний спосіб побачити ознаки обертання в ядрах — це якщо ядро деформоване", — пояснив Дженкінс. "І люди побачили, що ядро має закономірності збудження, відомі як обертальні смуги, тож це вказувало на деформацію ядра".
З моменту цього вражаючого відкриття у 1950-х роках, цілеспрямовані експерименти виявили величезну різноманітність форм ядер, від грушоподібних до схожих на драже M&M's. Кругла форма виявилася радше винятком, ніж правилом. Близько 90% ядер у своєму найнижчому енергетичному стані мають форму американського футбольного м'яча, що технічно називається "витягнуто-деформованою". Напрочуд мало ядер мають протилежну сплющену сферичну, схожу на M&M's форму, яку називають сплюснутою деформованою.
Вчені досі не можуть пояснити, чому витягнута форма є більш сприятливою, ніж сплющена. Деякі ядра також можуть змінювати форму: проявляти одну в основному стані, а потім деформуватися в іншу, якщо в них вкласти додаткову енергію.
Більш екзотичні форми, такі як грушоподібні ядра, обмежені певними ділянками ядерної карти, зокрема навколо радію. Сферичні ж ядра зазвичай зустрічаються в атомах з "магічним" числом ядерних частинок, тобто з повними оболонками.
"Інтуїтивно зрозуміло, що основна форма об'єкта, який не збуджується, не коливається і не розтягується, має бути сферичною", — зауважує Пол Стівенсон, фізик-ядерник з Університету Суррея. "Але насправді, у випадку ядер, дивно, що будь-яке з них є сферичним, оскільки воно підкоряється законам квантової механіки". Рівняння Шредінгера, один із найфундаментальніших принципів квантової механіки, передбачає, як хвильова функція об'єкта змінюватиметься з часом, що в сукупності й надає форму ядру.
Як пояснює Стівенсон, "базові розв’язки рівняння Шредінгера не виглядають сферичними — ви отримуєте ці форми, які ніби рухаються по колу, але потім вони починають хвилюватися". Це пояснюється тим, що квантові розв'язки хвильової функції самі по собі мають асиметрію, змушуючи частинки в ядрі більш схилятися до певного напрямку. Лише для рідкісних сферичних ядер ця хвилястість компенсується.
Проте, вчені досі не до кінця розуміють, чому деякі з цих деформованих форм зустрічаються набагато частіше, ніж інші.
OBOZ.UA пропонує дізнатися, чому вчені вважають, що доба збільшиться на годину.
Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.