เมนูนำทาง
นิวเคลียสของอะตอม
แม้ว่าแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์เชื่อกันว่าสามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์ถึงองค์ประกอบและพฤติกรรมของนิวเคลียสแล้วก็ตาม แต่การคาดการณ์จากทฤษฎีเกี่ยวกับพื้นที่อื่น ๆ ส่วนใหญ่ของฟิสิกส์ของอนุภาคเป็นเรื่องที่ยากกว่าเสียอีก เนื่องจากเหตุผลสองประการดังต่อไปนี้
ในอดีต หลายการทดลองได้ถูกนำมาเปรียบเทียบกับแบบจำลองที่ค่อนข้างดิบที่จำเป็นอยู่แล้วว่ายังไม่สมบูรณ์ ไม่มีแบบจำลองเหล่านี้เลยที่จะสามารถอธิบายข้อมูลจากการทดลองเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสได้อย่างสมบูรณ์[16]
รัศมีของนิวเคลียส (R) ถูกพิจารณาว่าเป็นหนึ่งในปริมาณพื้นฐานที่ทุกแบบจำลองจะต้องคาดการณ์เอา สำหรับนิวเคลียสที่เสถียร (ไม่ใช่นิวเคลียสที่มีรัศมีหรือนิวเคลียสบิดเบี้ยวอื่น ๆ ที่ไม่เสถียร) รัศมีของนิวเคลียสจะมีค่าโดยประมาณเป็นสัดส่วนกับรากที่สามของเลขมวล (A) ของนิวเคลียสและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในนิวเคลียสที่มีนิวคลีออนจำนวนมาก เมื่อพวกมันจัดเรียงตัวแบบทรงกลมมากขึ้น:
นิวเคลียสที่เสถียรมีค่าความหนาแน่นโดยประมาณ และดังนั้นรัศมีของนิวเคลียร์ R สามารถประมาณได้จากสูตรดังต่อไปนี้
R = r 0 A 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}\,}โดยที่ A = เลขมวลของอะตอม (จำนวนโปรตอน Z บวกกับจำนวนนิวตรอน N) และ r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10−15 m. ในสมการนี้ ค่าคงที่ r0 แตกต่างกันอยู่ 0.2 fm ขึ้นอยู่กับนิวเคลียสในคำถาม แต่มีการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า 20% จากค่าคงที่[17]
พูดอีกอย่าง กลุ่มโปรตอนและนิวตรอนที่มัดรวมกันในนิวเคลียสจะให้ขนาดโดยรวมโดยประมาณเท่ากับการมัดรวมกันของทรงกลมแข็งของขนาดที่คงที่ (เช่นหินอ่อน) บรรจุลงในถุงทรงกลมหรือเกือบทรงกลมที่อัดแน่น (บางนิวเคลียสที่เสถียรจะไม่ค่อยเป็นทรงกลมมากนัก แต่เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นรูปไข่)[ต้องการอ้างอิง]
บทความหลัก: สูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์ (อังกฤษ: Semi-empirical mass formula)
แบบจำลองของนิวเคลียสรุ่นแรกมองนิวเคลียสว่าเป็นหยดของเหลว (อังกฤษ: liquid drop) ที่กำลังหมุน ในแบบจำลองรูปแบบนี้การแลกเปลี่ยนของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระยะทำการไกลกับแรงนิวเคลียร์ระยะทำการค่อนข้างสั้นร่วมกันก่อให้เกิดพฤติกรรมที่คล้ายกับแรงตึงผิวในหยดของเหลวในขนาดที่แตกต่างกัน สูตรนี้ประสบความสำเร็จในการอธิบายถึงปรากฏการณ์ที่สำคัญมากมายของนิวเคลียสเช่นปริมาณของพลังงานยึดเหนี่ยวของพวกมันที่มีการเปลี่ยนแปลงในขณะที่ขนาดและองค์ประกอบของพวกมันมีการเปลี่ยนแปลง (ดู สูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์) แต่มันก็ไม่ได้อธิบายถึงความมั่นคงพิเศษที่เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสมี "เลขมายา" พิเศษของโปรตอนหรือนิวตรอน
ศัพท์หลายคำในสูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์ที่สามารถใช้ในการประมาณพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสจำนวนมากได้รับการพิจารณาว่าเป็นผลรวมของห้าประเภทของพลังงาน (ดูด้านล่าง) จากนั้นภาพของนิวเคลียสที่เป็นหยดของเหลวที่ไม่อัดแน่นจะเป็นผลมาจากการแปรเปลี่ยนที่สังเกตได้ของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส:
พลังงานกลุ่ม (อังกฤษ: Volume energy) เกิดขึ้นเมื่อมีการชุมนุมของเหล่านิวคลีออนที่มีขนาดเดียวกัน พวกมันจะเกาะกลุ่มกันเป็นปริมาณขนาดเล็กที่สุด ในแต่ละนิวคลีออนที่อยู่ด้านในจะมีจำนวนที่แน่นอนของนิวคลีออนอื่น ๆ มาติดต่อกับมัน ดังนั้นพลังงานของนิวเคลียสนี้จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณนั้น
พลังงานที่พื้นผิว (อังกฤษ: Surface energy). นิวคลีออนที่พื้นผิวของนิวเคลียสจะมีปฏิสัมพันธ์กับนิวคลีออนอื่น ๆ ไม่กี่ตัว น้อยกว่าตัวที่อยู่ด้านในของนิวเคลียส ดังนั้นพลังงานยึดเหนี่ยวของมันจึงมีน้อย คำว่าพลังงานพื้นผิวนี้จะพิจารณาถึงสิ่งนั้น ดังนั้นมันจึงมีค่าเป็นลบและเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ผิว
พลังงานคูลอมบ์ (อังกฤษ: Coulomb energy). แรงผลักไฟฟ้าระหว่างแต่ละคู่ของโปรตอนในหนึ่งนิวเคลียสจะส่งผลทำให้พลังงานยึดเหนี่ยวของมันลดลง
พลังงานไม่สมมาตร (อังกฤษ: Asymmetry energy) (หรือที่เรียกว่า พลังงานพอลลี). พลังงานนี้เกี่ยวข้องกับ หลักการการยกเว้นของพอลลี สมมติว่ามันไม่ได้เป็นพลังงานคูลอมบ์, รูปแบบที่เสถียรมากที่สุดของสสารนิวเคลียร์น่าจะมีจำนวนนิวตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน เนื่องจากจำนวนของนิวตรอนและโปรตอนที่ไม่เท่ากัน จึงเป็นการบ่งบอกถึงการเติมระดับพลังงานที่สูงกว่าสำหรับประเภทหนึ่งของอนุภาค ขณะที่ปล่อยให้ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าว่างลงสำหรับประเภทอื่น
พลังงานการจับคู่. พลังงานที่เกิดขึ้นจากการจับคู่ของโปรตอนด้วยกันและนิวตรอนด้วยกัน อนุภาคที่จับคู่กันจะเสถียรกว่าอนุภาคที่ไม่จับคู่
บทความหลัก: แบบจำลองแบบเปลือกนิวเคลียส
แบบจำลองของนิวเคลียสได้มีการนำเสนอในหลายรูปแบบเช่นกัน ในแบบจำลองเหล่านั้นนิวคลีออนทั้งหลายจะครอบครองวงโคจรเหมือน วงโคจรของอะตอม ในทฤษฎี ฟิสิกส์ของอะตอม แบบจำลองแบบคลื่นเหล่านี้จินตนาการว่าพวกนิวคลีออนจะเป็นได้อย่างใดอย่างหนึ่ง คือเป็นอนุภาคจุดที่ไม่มีขนาดในหลุมศักยภาพ หรือก็เป็นคลื่นอย่างใน "แบบจำลองออปติค" ที่โคจรแบบไร้แรงเสียดทานด้วยความเร็วสูงในหลุมศักยภาพ
ในแบบจำลองดังกล่าวข้างต้น พวกนิวคลีออนอาจครอบครองวงโคจรเป็นคู่ เนื่องจากพวกมันอยู่ในตระกูลเฟอร์มิออน ซึ่งจะช่วยในการอธิบาย ผลกระทบของ Z และ N แบบคู่และคี่ ที่รู้จักกันดีจากการทดลองหลายครั้ง ธรรมชาติและความจุที่แท้จริงของเปลือกนิวเคลียร์จะแตกต่างจากบรรดาอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอม เบื้องต้นเป็นเพราะหลุมศักยภาพในที่ซึ่งการเคลื่อนที่ของนิวคลีออน (โดยเฉพาะในนิวเคลียสขนาดใหญ่) จะค่อนข้างแตกต่างจากหลุมศักยภาพแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนกลางที่หลุมนี้จะยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนไว้ในอะตอม. ความคล้ายคลึงกับรูปแบบการโคจรของอะตอมบางอย่างอาจจะเห็นได้ในนิวเคลียสขนาดเล็กเช่นที่ ฮีเลียม-4 ซึ่งในสารชนิดนี้สองโปรตอนและสองนิวตรอนจะแยกกันครอบครองวงโคจรที่ 1s คล้ายคลึงกับวงโคจร 1s สำหรับสองอิเล็กตรอนในอะตอมของฮีเลียม และบรรลุความมั่นคงที่ผิดปกติด้วยเหตุผลเดียวกัน ทุกนิวเคลียสที่มีนิวคลีออน 5 ตัวก็จะยังไม่มั่นคงและอายุสั้นอย่างมาก ฮีเลียม-3 ที่มี 3 นิวคลีออน มีเสถียรภาพมากแม้ว่าจะขาดการปิดของเปลือกวงโคจร 1s นิวเคลียสอื่นที่มี 3 นิวคลีออน, ไทรทัน (ไฮโดรเจน-3) จะไม่เสถียรและจะสลายตัวไปเป็นฮีเลียม-3 เมื่อถูกแยก. ความมั่นคงที่อ่อนแอของนิวเคลียร์ที่มี 2 นิวคลีออน {NP} ในวงโคจร 1s จะพบในดิวเทอรอน (ไฮโดรเจน-2) ที่มีเพียงหนึ่งนิวคลีออนเท่านั้นในแต่ละหลุมศักยภาพโปรตอนและหลุมศักยภาพนิวตรอน ในขณะที่แต่ละนิวคลีออนเป็นเฟอร์มิออนตัวหนึ่ง {NP} ดืวเทอรอนจะเป็นโบซอน ดังนั้นมันจึงไม่เป็นไปตาม'การยกเว้นของ Pauli' สำหรับการจับกลุ่มอย่างใกล้ชิดภายในเปลือก ลิเธียม-6 ที่มี 6 นิวคลีออนจะเสถียรอย่างมากโดยปราศจากการปิดของวงโคจร 1p ที่สองของเปลือก สำหรับนิวเคลียสเบาที่มีจำนวนนิวคลีออนรวมตั้งแต่ 1 ถึง 6 เฉพาะพวกที่มีแค่ 5 จะไม่แสดงบางหลักฐานของความมั่นคง ข้อสังเกตของเสถียรภาพแบบบีตาของนิวเคลียสเบาด้านนอกเปลือกหอยที่ปิดแสดงให้เห็นว่าความมั่นคงนิวเคลียร์จะมีความซับซ้อนมากกว่าการปิดที่เรียบง่ายของวงโคจรเปลือกหอยที่มี เลขมายา ของโปรตอนและนิวตรอน
สำหรับนิวเคลียสขนาดใหญ่ เปลือกหอยจะถูกครอบครองโดยกลุ่มของนิวคลีออน เปลือกหอยพวกนี้เริ่มที่จะแตกต่างจากเปลือกหอยอิเล็กตรอนอย่างมีนัยสำคัญ ยิ่งกว่านั้น สฤษฎีนิวเคลียสปัจจุบันได้คาดการณ์ถึง เลขมายา ของเปลือกหอยนิวเคลียสว่าจะถูกเติมเต็มด้วยทั้งโปรตอนและนิวตรอน การปิดของเปลือกหอยที่เสถียรจะคาดการณ์ถึงรูปแบบการทำงานที่เสถียรแบบผิดปกติ คล้ายกับกลุ่มขุนนางของก๊าซที่เกือบเฉื่อยในวิชาเคมี ตัวอย่างหนึ่งคือความมั่นคงของเปลือกของ 50 โปรตอนที่ถูกปิด ซึ่งจะยอมให้ ดีบุก ที่จะมี 10 ไอโซโทปที่เสถียร ซึ่งมากกว่าองค์ประกอบอื่น ๆ. ในทำนองเดียวกันระยะทางจากเปลือกไปยังฝาปิดจะอธิบายถึงความไม่แน่นอนที่ผิดปกติของไอโซโทปที่มีห่างไกลจากตัวเลขที่มั่นคงของอนุภาคเหล่านี้ เช่นธาตุกัมมันตรังสีที่ 43 (เทคนีเชียม) และ 61 (โพรมีเทียม) ซึ่งแต่ละตัวจะนำหน้าและตามหลังด้วยองค์ประกอบที่เสถียร 17 ตัวหรือมากกว่า
อย่างไรก็ตาม มีหลายปัญหาที่เกิดขึ้นกับแบบจำลองเปลือกหอยเมื่อมีความพยายามที่จะทำให้คุณสมบัติของนิวเคลียสห่างไกลจากเปลือกหอยที่ปิด นี้ได้นำไปสู่การบิดเบือนรูปร่าง หลังเฉพาะกิจ ที่ซับซ้อนของรูปร่างของบ่อศักยภาพเพื่อให้มันใช้ได้พอดีกับข้อมูลจากการทดลอง แต่คำถามก็ยังคงอยู่ว่าการยักย้ายถ่ายเททางคณิตศาสตร์เหล่านี้จะสอดคล้องกันจริงกับการแปรรูปร่างเชิงพื้นที่ในนิวเคลียสของจริงหรือไม่ ปัญหาเกี่ยวกับแบบจำลองเปลือกหอยได้นำบางคนที่จะเสนอผลกระทบของแรงนิวเคลียสแบบสองร่างและสามร่างที่เป็นจริง (อังกฤษ: realistic two-body and three-body nuclear force effects) ที่เกี่ยวข้องกับกลุ่มนิวคลีออน จากนั้นก็สร้างนิวเคลียสขึ้นบนพื้นฐานนี้ สองแบบจำลองแบบกลุ่มดังกล่าวคือแบบจำลอง Close-Packed Spheron ของ Linus Pauling และแบบจำลอง 2D Ising ของ MacGregor[16]
บทความหลัก: โครงสร้างของนิวเคลียส
เช่นเดียวกับกรณีของ ฮีเลียมเหลว ที่เป็น สุดยอดของเหลว (อังกฤษ: superfluid) นิวเคลียสของอะตอมจะเป็นตัวอย่างหนึ่งของสถาวะที่ทั้ง (1) กฎทางกายภาพของอนุภาค "ธรรมดา" สำหรับปริมาณ และ (2) กฎของกลศาสตร์ควอนตัมที่ใช้งานไม่ง่ายสำหรับธรรมชาติที่เหมือนคลื่นจะนำมาประยุกต์ใช้ ในฮีเลียมสุดยอดของเหลว อะตอมของฮีเลียมมีปริมาณ และ "สัมผัส" ซึ่งกันและกันเป็นหลัก ในเวลาเดียวกัน ก็ยังแสดงคุณสมบัติจำนวนมากที่แปลก, สม่ำเสมอกับ การควบแน่นแบบ Bose-Einstein การควบแน่นนี้เปิดเผยว่าพวกมันยังมีธรรมชาติเหมือนคลื่นและไม่แสดงคุณสมบัติของของเหลวมาตรฐานอีกด้วย เช่นแรงเสียดทาน สำหรับนิวเคลียสที่ทำจาก แฮดรอน ซึ่งเป็นพวก เฟอร์มิออน ประเภทเดียวกันของการควบแน่นจะไม่ได้เกิดขึ้น และยิ่งกว่านั้น คุณสมบัติของนิวเคลียสจำนวนมากสามารถที่จะอธิบายได้เช่นกันโดยการรวมกันของคุณสมบัติของอนุภาคที่มีปริมาณเท่านั้น รวมเข้ากับลักษณะการเคลื่อนไหวที่ไม่มีแรงเสียดทานของพฤติกรรมเหมือนคลื่นของวัตถุที่ติดกับอยู่ใน วงโคจรควอนตัม ของ Erwin Schrödinger
เมนูนำทาง
นิวเคลียสของอะตอมใกล้เคียง
แหล่งที่มา
WikiPedia: นิวเคลียสของอะตอม