5.Модели строения ядра.

            В теории ядра широко используется модельный подход. Число моделей очень велико. С их помощью описываются свойства ядер и ядерные реакции. Это большое количество моделей ядра атома, носящих часто противоположный характер лежащих в их основе предположений о характере движения нуклонов в ядре, требует создания единой микроскопической теории ядра, на основе которой можно было бы обосновать те или иные ядерные модели и указать области их применения. Однако до сих пор усилия по созданию единой модели ядра, позволяющей объяснить все явления, остаются тщетными. Рассмотрим сущность некоторых основных моделей ядра атома.

 

    1.1.1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА

                                       (М. Борн, 1936г.)

                В основе модели лежит предположение о том, что благодаря большой плотности нуклонов в ядре и чрезвычайно сильному взаимодействию между ними столкновения очень часты и поэтому независимое движение отдельных нуклонов невозможно. Согласно этой модели, ядро представляет собой каплю заряженной жидкости (с плотностью, равной ядерной). Как в капле обыкновенной жидкости, поверхность в ядре может колебаться. Если амплитуда колебаний будет самопроизвольно нарастать, капля развалится, т. е. произойдет деление ядра. Хотя гидродинамическая модель качественно объяснила причины деления ядер и его механизм, а также существование коллективных возбуждений ядра атома, ее предсказания в полной мере не выполняются на опыте. Это связано с тем, что гидродинамическая модель очень наглядная и очень удобная, но является приближенной. Такие понятия как поверхность, поверхностное натяжение, сжимаемость и т. п. не вполне применимы к ядру, поскольку “капля - ядро” состоит не более чем из 300 нуклонов и размер R ядра превосходит среднее расстояние r_ср между нуклонами всего в несколько раз.

 

   1.1.2. ОБОЛОЧЕЧНАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА

                   (М. Гепперт-Маер, И.Х.Д. Йенсен, 1949-1950).

            Еще в начале развития ядерной физики на основе обнаружения так называемых “магических чисел” протонов и нейтронов в ядре атомов (2, 8, 20, 50, 82, 126) было предложено использовать оболочечную модель, успешно “работающую” в теории электронных оболочек атома. Оболочечная модель ядра и ее последующие модификации объясняют чрезвычайно широкий круг экспериментальных данных по спектрам возбуждений ядер вплоть до энергий 3-5 Мэв. Оболочечная структура проявляется и при более высоких энергиях возбуждения – до 30-50 Мэв, соответствующих возбуждению нуклонов внутренних оболочек. В оболочечной модели предполагается, что нуклоны движутся независимо друг от друга в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме), создаваемом движением всех нуклонов ядра (самосогласованном поле). Потенциал зависит от расстояния до центра ядра. Нуклоны в поле с таким потенциалом находятся на определенных уровнях энергии. В основном состоянии они заполняют нижние уровни, причем, в соответствии с принципом Паули, в одном состоянии может находиться не более одного протона и одного нейтрона. Основное предположение оболочечной модели – о независимом движении нуклонов в самосогласованном поле находится в противоречии с гидродинамической моделью. Поэтому естественно, что те характеристики ядра, которые хорошо описываются гидродинамической моделью (например, энергия связи ядра) плохо или совсем не объясняется оболочечной моделью.

 

1.1.3. ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА

                    (Дж. Рейнуотер, 1959 г., О. Бор и Б. Моттельсон, 1950-1953 гг).

          Эта модель примиряет исключающие исходные положения гидродинамической и оболочечной моделей. В этой модели предполагается, что ядро состоит из внутренней устойчивой части – остова, образованного нуклонами заполненных оболочек, и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами остова. Остов может изменять свою форму под влиянием наружных нуклонов, колебаться. Его движение описывается гидродинамической моделью. Внешние же нуклоны движутся в поле остова, которое, в отличие от оболочечной модели, изменяется за счет взаимодействия с этими внешними нуклонами. Обобщенная модель объяснила большие квадрупольные моменты некоторых ядер тем, что внешние нуклоны таких ядер сильно деформируют остов, он становится не сферическим – вытянутым или сплюснутым эллипсоидом. Деформированное ядро может вращаться (вокруг оси перпендикулярной оси деформации), что объясняет наблюдаемые на опыте вращательные уровни возмущенного ядра. В обобщенной модели полный спин ядра складывается из моментов количества движения внешних нуклонов и момента количества движения деформированного остова. Колебанию остова соответствуют уровни, которые также обнаруживаются на опыте. Обобщенная модель позволила провести классификацию на уровне энергии ядра - ввести понятие одночастичных (связанных с возбуждением наружных нуклонов) и коллективных (вращательных и колебательных, связанных с возбуждением остова) уровней ядра, определить энергии уровней, спин, четность.

 

1.1.4. МОДЕЛИ ПАРНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ

          Обобщенная модель также столкнулась с трудностями в объяснении опытных данных, особенно в тех ядрах, в которых вне остова движется несколько нуклонов. Естественный путь улучшения обобщенной модели – учет их взаимодействия. Это взаимодействие существенно отличается от взаимодействия пары свободных нуклонов и называется остаточным взаимодействием. Термин отражает тот факт, что это лишь часть нуклон- нуклонных сил, “оставшаяся” после выделения самосогласованного поля. Остаточное взаимодействие приводит к тому, что внешние нуклоны движутся в поле остова уже не независимо, а коррелировано. Соответствующие модификации оболочечной модели называют моделями парных корреляций. Из них наиболее широкое распространение получила сверхтекучая модель ядра. (Н. Н. Боголюбов, О. Бор, Б. Моттельсон, Д. Пайнс – 1958 г.). В основе этой модели лежит предположение о том, что пары протонов и нейтронов с равными и противоположными направленными моментами количества движения образуют в ядре состояния типа связанных. Чтобы разорвать эту связь – разорвать пару, нужно затратить энергию порядка 1-2 Мэв. Поэтому энергия возбуждения четно-четных ядер, в которых все нуклоны, согласно модели, образуют связанные пары, должна составлять около 2 Мэв, тогда как соседние нечетные ядра должны иметь энергию возбуждения примерно в 10 раз меньшую (150-200 Кэв), что действительно наблюдается на опыте. С помощью моделей парных корреляций удается очень хорошо описывать спины и квадрупольные моменты основных состояний ядер, а также энергии, спины, квадрупольные моменты и вероятности переходов возбужденных однонуклонных и коллективных (вращательных и колебательных) состояний в ядрах вплоть до энергий 3-6 Мэв. Модель хорошо описывает плотность уровней, свойства нейтронных резонансов и позволяет рассчитывать равновесные деформации ядер как в основном, так и в возбужденном состоянии.

1.1.5. СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА

                   (Я. И. Френкель – 1936 г., Л. Л. Ландау – 1937 г.)

         При более высокой энергии возбуждения (6-7 Мэв) число уровней в средних и тяжелых ядрах очень велико, а следовательно, расстояние между уровнями мало. Установить при этих условиях квантовые характеристики каждого отдельного уровня и невозможно, и не нужно.

         Целесообразно ввести понятие плотность уровней с данным спином, изоспином и т. д., т. е. число уровней с данными характеристиками, приходящихся на единичный интервал энергии. Зависимость плотности уровней энергии описывается с помощью статической (термодинамической) модели ядра, которая рассматривает возбуждение как нагрев ферми – газа (точнее, ферми – жидкости) нуклонов, связывая энергию возбуждения с температурой нагрева ядра. Эта модель неплохо описывает не только распределение уровней, но и распределение вероятностей излучения - квантов при переходе между высоколежащими возбужденными состояниями ядра атома. Статистическая модель ядра позволяет учесть и поправки, связанные с наличием в ядре оболочек.

 

1.1.6. ЕДИНАЯ МИКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА АТОМА

       Из рассмотренных выше  моделей атома следует вывод о том, что каждая модель  ядра атома имеет собственную сферу применения. Модель ядра  тома, рассматриваемая ниже,   имеет собственную сферу применимости, отражающую в себе концепцию Единого закона эволюции двойственного отношения (монады). Рассматриваемая модель и принципы строения ядра атома, вытекающие из данной модели были подробно описаны в [1] и [2]. Ниже воспроизводятся фрагментарно некоторые положения этой модели.

          Большое количество моделей ядра атома, часто противоположный характер лежащих в их основе предположений о характере движения нуклонов в ядре, требует создания единой теории ядра, на основе которой можно было бы обосновать ядерные модели и указать области их применения. Кроме того, существующие ядерные модели имеют еще один недостаток – необходимость введения довольно большого числа параметров, которые приходится подбирать для наилучшего согласования расчетов с экспериментальными данными. Информация об ядрах растет с каждым днем. Однако до сих пор усилия по созданию единой модели ядра, позволяющей объяснить все явления, остается тщетной. Что представляет собой ядро атома? Как согласовать между собой существующие модели ядра? На эти вопросы до сих пор нет ответа. В основе новой, единой модели ядра атома лежат закономерности, вскрытые в строении Периодической системы химических элементов, в основе которой лежат законы иерархии. Выше было установлено, что электронные оболочки (и их образ, отраженный в строении Периодической таблицы), представляют собой сложную и в высшей степени высокоорганизованную структуру, представляющую собой совокупность частично или полностью вложенных друг в друга иерархических оболочек и подоболочек, что дает основания высказать предположение о том, что именно структура ядра атома является ответственной за формирование электронных оболочек (находящей свое отражение в структуре Периодической таблицы), и что принципы построения структуры ядра атома по своей сложности во многом должны соответствовать принципам построения структуры белковой молекулы.

        Таким образом, основная идея заключается в том, что цепочки нуклонов в ядре атома являются реальными двойными спиралями, свернутыми строго упорядоченным образом в клубок, т. е. ядро атома является самой элементарной из известных на сегодняшний день молекул - “микромолекулой” и отражающей в своей структуре свойства молекулы ДНК. Только эта микромолекула относится к другой системе измерения - ядерной, это ядерная ДНК. Ядро атома можно представить как вращающийся “кристалл”, составленный из двойных упорядоченных нуклонных цепочек. В этом случае “микромолекулярная” модель ядра атома может стать естественным обобщением ядерных моделей и, в первую очередь, оболочечной. Будет установлена прямая причинно-следственная связь, объясняющая закономерность строения материи на ядерном уровне, на уровне элементарных частиц, на уровне строения атома и на молекулярном уровне. Причем в основе математического описания всех моделей будут лежать закономерности науки об иерархии. Аналогия с кристаллами имеет более глубокую основу. С одной стороны, из кристаллографии известно, что кристаллы характеризуются правой или левой “спиральностью”, причем правая спиральность является доминирующей. С другой стороны, известно, что существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A, но с разными периодами полураспада. Такие ядра называют изомерами. Например, имеются два изомера ядра Br, у одного из них период полураспада равен 18 минут, у другого – 4,4 часа. Такая значительная разница в периодах полураспада может быть объяснена, по мнению автора, только по аналогии с кристаллом, т. е. с точки зрения молекулярной модели. Кроме того, сам факт преобладания правой спиральности кристаллов также свидетельствует в пользу того, что в ядре атома должна преобладать правая спиральность.

        Микромолекулярная модель ядра, в отличие от всех других моделей ядра, способна с более общих позиций объяснить и причины существования большого числа ядерных моделей и причины возмущений в ядре атома, причины возникновения самосогласованного поля.