Атомные ядра формируют природу нашей реальности: в них содержится около 99,9% массы всей материи. Тем не менее, несмотря на их повсеместное распространение и значимость, они все еще остаются относительно плохо изученными современной физикой.
Основным препятствием для формулирования последовательного теоретического описания атомных ядер является сложность взаимодействий между составляющими их частицами, а именно протонами и нейтронами. Ситуация становится еще более сложной, когда ядро содержит большое количество частиц. В физическом журнале Physical Review Letters группа ученых из Польши (физический факультет UW), Финляндии и Швеции продемонстрировала, что мы должны модифицировать существующую модель атомных ядер, содержащих значительное и почти магическое число как протонов, так и нейтронов. .«Мы показали, что один из двух основных физических факторов, учитываемых в наших моделях некоторых крупных атомных ядер, на самом деле не так уж и важен.
На практике это означает, что физика таких ядер работает несколько иначе, чем считалось ранее. ", — говорит профессор Яцек Добачевский из Института теоретической физики физического факультета UW.Когда физики описывают движение электронов в атомах, они обычно предполагают, что они движутся в электростатическом поле, исходящем от соседних электронов и от удаленного атомного ядра.
Модель предсказывает формирование различных электронных оболочек с разной емкостью: первая может вместить максимум 2 электрона, 8 — второй, 18 — третий и так далее. Физики также применяют аналогичную модель к самим атомным ядрам; однако это усложняется сложными взаимодействиями между субатомными частицами внутри ядра.
«В атомах каждый электрон расположен на большом расстоянии от других электронов и ядра атома. Таким образом, мы можем с уверенностью предположить, что отдельные электроны движутся в едином усредненном поле взаимодействий, происходящих от остальных атомных компонентов. Однако протоны и нейтроны в атомных ядрах расположены очень близко друг к другу, и все они существуют в поле, которое они также активно формируют », — объясняет д-р Димитар Тарпанов (Варшавский университет).Как и в случае с электронами, модель усредненного поля предсказывает существование оболочек внутри ядра — оболочек с наибольшей вероятностью обнаружения там протона или нейтрона.
Последующие ядерные оболочки являются завершенными, когда они содержат 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 протонов (те же числа применимы к нейтронным оболочкам). Дополнительные заполненные оболочки появляются на уровнях 114, 120 и 126 для протонов и 184 для нейтронов. Они известны как «магические» числа; атомное ядро называют «двойной магией», когда оно содержит магическое число протонов наряду с магическим числом нейтронов.
Исследователей особенно интересовали ситуации, когда атомное ядро находится в почти двойном магическом состоянии: одна из оболочек является полной, а следующая, наиболее удаленная, оболочка содержит только один протон или нейтрон. Вопрос был в том, какие взаимодействия будут определять движение этой «одинокой» частицы?Вот уже несколько десятилетий, чтобы соответствовать измерениям, проводимым в физических лабораториях по всему миру, в дополнение к усредненному полю существующая модель больших атомных ядер учитывала дополнительные эффекты: колебания и движения нуклонов, вызванные квантовыми эффектами. . В некоторых случаях такие колебания могут даже повлиять на внешний вид ядра, слегка сплющивая его или придавая ему грушевидную форму.
Такие модификации также должны были бы повлиять на поле движения одиночного протона или нейтрона, движущегося во внешней оболочке атомного ядра.Физики использовали экспериментальные данные, доступные для двойных магических ядер кислорода 16O, кальция 40Ca и 48Ca, никеля 56Ni, олова 132Sn и свинца 208Pb, а также для почти двойных магических ядер, таких как 207Pb и 209Pb. Данные использовались для точного соответствия различным параметрам, используемым в существующей модели. Теоретический анализ не оставляет сомнений: квантовые эффекты и сопровождающие их колебания оказывают значительно меньшее влияние на движение отдельных частиц в ядерной оболочке, чем считалось ранее.
«Это удивительный результат. Поскольку квантовые эффекты в ядре размером с 209Pb не очень значительны, это означает, что существующая модель среднего поля сама по себе не полностью отражает реальность. Есть кое-что, что мы не можем принять во внимание.
Интересно, что это …? " — добавляет профессор Добачевский.Такая работа по созданию точного и последовательного описания явлений, происходящих в легких, тяжелых и сверхтяжелых атомных ядрах, имеет важные практические приложения. Наше понимание физики атомного ядра используется при строительстве атомных электростанций, проектировании будущих термоядерных электростанций, вооруженных силах, ядерной медицине, визуализации тканей, а также в диагностике и лечении рака.
Кроме того, ядерные процессы и взаимодействия имеют фундаментальное значение для описания звезд во Вселенной. Теоретические методы, разработанные для описания взаимодействий многих частиц в атомных ядрах, также имеют многочисленные приложения в ядерной физике и физике конденсированного состояния, а также в квантовой химии в спектральном анализе возбужденных состояний атомных ядер, атомов и молекул.