Jądro

Modele budowy j

ą

dra

Natury sił jądrowych jeszcze nie poznaliśmy do końca, dlatego posługujemy się
modelami jądrowymi, które są uproszczonymi koncepcjami budowy jąder.
Konkretny model jądrowy powinien prawidłowo (lub choćby tylko w przybliżeniu)
prawidłowo w określonym zakresie znany zespół faktów doświadczalnych i
przewidywać nowe fakty, które dotychczas nie były obserwowane. Dobry model
nie powinien prowadzić do rażących sprzeczności z jakimikolwiek obserwacjami z
danej dziedziny. Podstawę modelu jądrowego stanowią zawsze jakieś założenia

upraszczające, wskutek czego każdy taki model ma tylko ograniczone zastosowanie.

Model gazu Fermiego

Model ten zwany jest też modelem statystycznym. Polega on na założeniu, że w jądrze istnieją
protony i neutrony, między parami których działają siły przyciągające. Nukleonom tym
odpowiadają fale płaskie de Broglie'a utworzone wewnątrz sześcianu o objętości jądra. Model ten
bywa niekiedy stosowany do opisu jąder ciężkich bombardowanych cząstkami o wysokiej energii.

Model kroplowy

Stosuje się go w przypadku jąder ciężkich, które tworzy około
100 lub więcej nukleonów. Model ten nie zajmuje się
indywidualnymi nukleonami, natomiast rozważa jądro jako kroplę
płynu kwantowego, podlegającego rozmaitym drganiom i
obrotom. Własności jądra są wyrażone przez takie cechy, jak
gęstość i napięcie powierzchniowe cieczy, oraz przez rozkład
ładunku elektrycznego wewnątrz niego. Model kroplowy z
niezwykłym powodzeniem opisywał pewne klasy jąder o wyraźnie
niezapetnionych powłokach - czyli takich, które mają dużą liczbę
nukleonów w najbardziej zewnętrznej powłoce. Model kroplowy
pozwala opisać jakościowo rozszczepienie jądra jako podział
kropli materii jądrowej na krople dużo mniejsze. Model ten
zawodzi

jednak

zupełnie

przy

przewidywaniu

poziomów

jądrowych oraz wyjaśnieniu obserwowanych doświadczalnie magicznych liczb jądrowych.

Model powłokowy

W modelu powłokowym rozważa się funkcję falową nukleonu
poruszającego się w polu potencjału o symetrii kulistej,
pochodzącego od wszystkich pozostałych nukleonów w jądra. W
uproszczeniu można tu dostrzec analogię do planetarnego modelu
atomu, przy czym jednak źródłem centralnego pola nie jest
pojedynczy, wyróżniony obiekt (jak w jądro w atomie) lecz
uśrednione, wypadkowe pole sił pozostałych nukleonów jądra,
działających na rozważany nukleon. W wyniku żmudnych obliczeń
otrzymano rozkład poziomów zapełnionych przez nukleony w
jądrze. Nukleony mogą zajmować różne orbity, analogiczne do
elektronowych orbit w atomie, ale w tym przypadku są dwie
grupy orbit - jedna dla protonów i jedna dla neutronów. Podobnie
jak elektrony, nukleony są cząsteczkami fermionowymi, do

których stosuje się zasada wykluczania Pauliego, tak że dwa spośród nich nie mogą zajmować tej
samej orbity. Orbity tworzą powłoki, czyli grupy orbit mających podobne energie, a pomiędzy
powłokami jest duża przerwa energetyczna.
Jądra o zamkniętych (wypełnionych) powłokach protonowych albo
zamkniętych powłokach neutronowych (zwłaszcza takie, które
mają je obie zamknięte) wykazują dużą stabilność, podobnie jak
atomy

szlachetnych

gazów

o

wypełnionych

powłokach

elektronowych. Są to tak zwane liczby magiczne nukleonów w
jądrze: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, .., które obserwowane są
doświadczalnie. Jednak niektóre własności model ten nie opisuje
poprawnie. Przyczynę tego prawdopodobnie stanowi fakt, że jest
to model jednocząstkowy, w którym zaniedbana została rola

Page 1 of 2

Jądro atomowe - modele budowy jądra

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/struktura/struktura_j1.html

ruchów pozostałych nukleonów.
W przypadku jąder, mających kilka dodatkowych nukleonów poza zamkniętą powłoką, można do
pewnego stopnia zaniedbać indywidualne nukleony w zamkniętych powłokach i skoncentrować się
na tych kilku znajdujących się na zewnątrz nich. Należy jednak uwzględnić oddziaływania
pomiędzy zewnętrznymi nukleonami. W przypadku ciężkich jąder, z wieloma nukleonami na

zewnątrz zamkniętej powłoki, obliczenia bardzo się komplikują,
nawet jeżeli użyje się nowoczesnych komputerów.

Model oddziałuj

ą

cych bozonów

Model oddziałujących bozonów uwzględnia własności siły jądrowej
polegającej na kojarzeniu nukleonów w pary. Łącząc w sobie
model powłokowy i model kroplowy, traktuje on ciężkie jądro
parzysto-parzyste jako zbiór nukleonowych par na zewnątrz
zamkniętej powłoki. Opisuje się ruch nukleonów jako pary. Kiedy
dwa nukleony tworzą parę, to przypominają bozon, ale możliwe
są różne typy par.
W jądrach najprostrzego typu, parzysto parzystych wszystkie
protony i wszystkie neutrony są połączone w pary. Takie jądra

mają bardzo niewiele stanów wzbudzonych.
W

jądrach

nieparzysto-

parzystych, o parzystej liczbie
jednego typu nukleonów i
nieparzystej

drugiego,

niepołączony w parę nukleon
wprowadza więcej wzbudzeń.
W

jądrach

nieparzysto

-

nieparzystych zarówno proton,
jak i neutron nie mają pary i
dlatego

są

odpowiednio

bardziej skomplikowane.

Model kolektywny

Model kolektywny jest modelom, w którym podstawową role gra założenie o pewnych
kolektywnych ruchach zespołów nukleonów należących do zamkniętych powłok jądrowych.
Dopuszcza się przy tym możliwość deformacji (nawet trwałych) jądra, tj., odrzuca się założenie o
jego symetrii kulistej. Według tego modelu zamknięte, wypełnione powłoki w jądrach ulegają
deformacji, która jest skutkiem polaryzacji tego "rdzenia" jądra spowodowanej działaniem
nukleonów spoza powłok zamkniętych. W modelu kolektywnym zatem rozróżnia się i uwzględnia
indywidualny ruch "luźnych" nukleonów i kolektywny ruch zamkniętych powłok rdzenia. W
rozkładzie poziomów jądrowych występują wówczas poziomy związane z "jedno cząstkowym"
ujęciem ruchów poszczególnych nukleonów i spoza powłok zamkniętych oraz znacznie niżej
położone poziomy związane z energią ruchów rotacyjnych i oscylacyjnych rdzenia. Zakładając
następnie możliwość oddziaływania wzajemnego obu tych rodzajów ruchu otrzymuje się model
jednoczący w sobie cechy ujęcia jednocząstkowego oraz kolektywnego. Za pomocą tego modelu
można przewidzieć i wyjaśnić wiele faktów doświadczalnych.
Modele jądrowe, a zwłaszcza ostatni z opisanych, są tematem licznych prac teoretycznych, a
konfrontacja ich z rzeczywistością - tematem badań doświadczalnych. Opisane tu modele jądrowe
nazywa się modelami statycznymi, ponieważ rolą ich jest opis jąder "swobodnych", nie
związanych oddziaływaniem z innymi cząstkami lub jądrami. Modele jądrowe odzwierciedlające
stan jądra w trakcie reakcji i po jej zajściu zwane są modelami jądrowymi dynamicznymi.

Jądro

Page 2 of 2

Jądro atomowe - modele budowy jądra

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/struktura/struktura_j1.html