2.7.2 Модель ферми-газа

Согласно этой модели ядро уподобляется разреженному газу, заключенному в определенном объеме. Модель Ферми- газа дает возможность понять некоторые общие закономерности ядерной структуры и прежде всего тот факт, что нуклоны в ядре движутся. Это движение наблюдалось в многочисленных опытах по изучению взаимодействия налетающих частиц с нуклонами ядра.

2.7.3 Оболочечная модель

Многие явления, в первую очередь связанные с периодичностью свойств ядер, капельная модель и модель ферми-газа объяснить не в состоянии. Экспериментальным путем доказано, что важные свойства атомных ядер (дефект массы, стабильность, распространенность в природе, энергия связи и др.) периодически изменяются с увеличением числа нуклонов в ядрах. Это позволило создать оболочечную модель структуры ядра, в некоторой степени, аналогичную оболочечной модели атома Бора, поскольку она допускает, что содержащиеся в ядре нейтроны и протоны распределены по оболочкам. Оболочечная модель основана на том, что при определенных числах протонов и нейтронов, равных:

n	2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184
p	2, 8, 20, 28, 50, 82, 114

встречается особенно много нуклидов, которые наиболее стабильны, то есть, обладают большой энергией связи. Эти числа называются магическими числами ядерной структуры. Магические числа нейтронов и протонов по аналогии с атомами соответствуют полностью заполненным оболочкам. Различие в магических числах - 126 (для нейтронов) и 114 (для протонов) - обусловлено кулоновским взаимодействием. Действие этих чисел проявляется столь сильно, что при прохождении числа нуклонов через каждое значение магического числа, в ядре изменяется распределение заряда и форма заряда. Самыми стабильными оказались дважды магические ядра, то есть те, у которых количество и протонов и нейтронов равно магическому числу. Это гелий-4, кислород-16, кальций-40, кальций-48 и свинец-208. Если бы свинец не имел дважды магического ядра, он был бы радиоактивным и давно бы распался. Согласно теории оболочек, дважды магические ядра - основа нашего мира. Это пики его стабильности, все остальные элементы не более чем отклонения, которые группируются вокруг пиков. В начале и в середине таблицы Д. И. Менделеева пики расположены столь близко, что возникает непрерывная череда стабильных и долгоживущих изотопов.

При количественной разработке оболочечной модели атомного ядра принимают, что для ядер справедливы с соответствующими видоизменениями принципы установленные Бором, Паули для электронных оболочек. Делались попытки на основе экспериментальных данных разработать теорию периодической системы атомных ядер. Согласно этой теории каждый нуклон в атоме движется в силовом поле, создаваемом другими нуклонами. Состояние отдельных нуклонов определяется четырьмя квантовыми числами (n, l, m , s).

Протоны или нейтроны занимают отдельные энергетические уровни (квантовые состояния) независимо друг от друга. Протонные и нейтронные уровни, соответствующие одинаковым квантовым числам, совпадают не полностью, так как электростатическое отталкивание протонов повышает протонные уровни.

Оболочечная модель удовлетворительно объясняет явления, связанные с периодичностью, однако в других случаях она недостаточно точна. Как мы уже говорили, до сих пор не удалось создать теорию, однозначно объясняющую все известные свойства атомных ядер. Возможно, структура атомного ядра в основном и возбужденном состояниях существенно различается, так что основное состояние ближе к оболочечной модели, а сильно возбужденное состояние отвечает капельной модели.