Modele budowy jądra atomowego

W fizyce jądrowej nie powstał dotąd żaden jednolity model, który obszernie opisywałby wszystkie procesy zachodzące w jądrze atomowym. Ponieważ nie mamy teorii sił jądrowych i nie potrafimy rozwiązać problemu „wielu ciał” „idziemy na łatwiznę”, czyli tworzymy modele jądra, różne dla różnych szczegółowych zagadnień fizyki jądrowej. Dlatego dla wyjaśnienia różnych rodzajów procesów jądrowych powstały odmienne modele jądra atomowego.

Model kroplowy

Sformułowany w 1936 r. m.in. przez Nielsa Bohra model kroplowy opisuje jądro atomowe porównując je do kropli cieczy. Analogia polega na tym, że podobnie jak w kropli, gęstość materii w jądrze atomowym jest stała, a oprócz odpychających sił elektromagnetycznych (Coulomba), między protonami istnieją siły przyciągania o krótkim zasięgu, podobne do sił odpowiedzialnych w cieczach za tzw. „napięcie powierzchniowe”.

Model kroplowy pozwala oszacować średnią energię wiązania nukleonu na podstawie wzoru opracowanego przez Carla Friedricha von Weizsäckera (dziś zwanego wzorem Bethego-Weizsäckera). Aby zbliżyć do siebie dodatnio naładowane protony należy wykonać pewną pracę przeciwko odpychającym siłom Coulomba – gdy protony dostatecznie „ściśniemy”, zaczynają działać krótkozasięgowe oddziaływania silne - układ nukleonów trwa! Jądro atomowe jest więc „magazynkiem” energii. Wzór ten zastosowano do wyjaśnienia zjawiska rozszczepienia jądra atomowego, odkrytego w 1938 r. przez Hahna i Straßmanna.

Model powłokowy i jądra magiczne

Podobnie jak w fizyce atomowej, również w fizyce jądrowej istnieje model powłokowy, który pozwala obliczyć stany energetyczne pojedynczego nukleonu. Model powłokowy opracowany w 1949 r. przez Wignera i Goeppert-Mayer wyjaśnia budowę jąder atomowych metodami mechaniki kwantowej. W modelu tym nukleony w jądrze rozmieszczone są w szeregu powłok, przy czym liczba nukleonów w każdej powłoce jest ściśle określona. Pozwala to wytłumaczyć wyjątkową stabilność niektórych jąder.

Jądra, w których liczba nukleonów (każdego z rodzajów osobno, lub obu rodzajów jednocześnie) równa jest „liczbom magicznym”, wyróżniają się większą stabilnością ze względu na rozpady promieniotwórcze, czego skutkiem jest ich względnie większe prawdopodobieństwo występowania we Wszechświecie. Mianem liczb magicznych określa się takie liczby protonów i neutronów, w przypadku których powłoki są całkowicie zapełnione. Liczby magiczne wynoszą dla neutronów i protonów 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Jeśli chodzi o protony, pierwiastki przynależne do tej grupy to hel (Z=2), tlen (Z=8), wapń (Z=20), nikiel (Z=28), cyna (Z=50) i ołów (Z=82). Występują one powszechnie w naturze.

Jądro podwójnie magiczne posiada liczbę magiczną zarówno protonów jak i neutronów, np. hel-4 (2 protony, 2 neutrony), tlen-16 (8 protonów, 8 neutronów), ołów-208 (82 protony, 126 neutronów).

Te dwa powszechnie znane i stosowane modele: kroplowy oraz powłokowy, istnieją w kilku wariantach dostosowanych do potrzeb konkretnych zagadnień szczegółowych.