§ 20. МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ ЯДЕР

ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ

Для объяснения свойств ядер и ядерных процессов используются различные «модельные» представления о структуре ядер; к ним относятся: «капельная», «оболочечная», «коллективная», «оптическая» и другие модели. Каждая из предлагаемых моделей ядра содержит ряд упрощающих предположений, благодаря которым удается рассчитать наблюдаемые свойства ядер, объяснить течение известных ядерных реакций и предсказать новые. Перечислим важнейшие из таких предположений:

1) внутри ядра протоны и нейтроны сохраняют свои отличительные («индивидуальные») свойства. Ядро представляется как система взаимосвязанных нуклонов, в которой возможны различные изменения в их относительном расположении и характере движения;

2) взаимные превращения между нуклонами:

при которых из ядра вылетают электрон или позитрон и нейтрино, происходят только в особых условиях, возникающих в радиоактивных ядрах. Однако взаимные превращения другого характера, которые сопровождаются обменом -мезонами, происходят в ядре постоянно и

обусловливают ядерное взаимодействие между нуклонами («мезонная теория ядерных сил»);

3) каждый нуклон движется внутри ядра в некотором общем (усредненном) ядерном поле, которое создано остальными нуклонами. Ввиду этого все нуклоны в ядре будут находиться в одинаковых условиях. Однако эти условия на поверхности ядра несколько отличны от условий, существующих внутри объема ядра;

4) движение отдельного нуклона в ядре не зависит от движения остальных. В частности, если данный нуклон может перемещаться в ядре по каким-то «дозволенным» орбитам, то переход этого нуклона из одной орбиты на другую может осуществляться независимо от того, в каких состояниях (на каких орбитах) находятся остальные нуклоны. В некоторых случаях такая зависимость допускается и оценивается;

5) ядерное взаимодействие между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном одинаковое. Такой универсальный характер ядерного взаимодействия (т. е. независимость взаимодействия от наличия или отсутствия у нуклона электрического заряда) рассматривается, как необходимое следствие из некоторых опытных данных;

6) полная энергия взаимодействия между нуклонами может быть представлена, как сумма энергий взаимодействий между каждой парой нуклонов. Это предположение сохраняется и в тех моделях, в которых ядерное взаимодействие происходит только между соседними («соприкасающимися») нуклонами;

7) энергия ядра не зависит от формы его поверхности. В некоторых моделях такая зависимость допускается и дается ее оценка. Энергия нуклонов, расположенных на поверхности ядра, может несколько отличаться от энергии нуклонов, находящихся внутри;

8) ядро имеет форму шара, в пределах которого нуклоны расположены равномерно (с одинаковой по всему объему ядра плотностью). В некоторых моделях предполагается, что ядра имеют другие формы: эллипсоида вращения, трехосного эллипсоида и др.; при этом допускаются вращение ядра и колебания его формы;

9) сложные ядра представляют собой систему из более простых ядер. В частности, четно-четные ядра рассматриваются как системы, состоящие из альфа-частиц («альфа-частичная модель»), которые существуют и движутся в ядре как самостоятельные частицы. Допускается, что эти альфа-частицы внутри ядра могут распадаться на протоны и нейтроны и вновь собираться из них; важно, чтобы время пребывания в собранном состоянии было значительно больше, чем в разложенном.

Это представление может быть расширено (для тяжелых ядер), если в качестве структурных частей рассматривать не только альфа-частицы, т. е. ядра гелия, но и ядра других легких элементов — лития, бериллия, бора, углерода и

10) протоны расположены в пределах объема ядра равномерно. Это предположение применимо для ядер, содержащих большое число протонов и используется для расчета потенциальной энергии их электростатического взаимодействия. Однако имеются экспериментальные данные, которые рассматриваются как доказательство

неравномерного распределения электрического заряда по объему ядра (плотность заряда убывает от центра ядра к поверхности);

11) ядерное поле описывается при помощи определенной функции, выражающей зависимость потенциала ядерных сил от расстояния до центра ядра (если предполагается, что поле сферически симметричное) или до оси ядра (если ядро имеет, например, форму эллипсоида вращения). Выбирая конкретную форму этой зависимости, можно попытаться объяснить свойства ядер и их взаимодействия с бомбардирующими частицами. Одно из таких предположений позволило разработать теорию ядра, в которой нуклоны вращаются по особым устойчивым орбитам, причем оказалось, что состояние нуклона при параллельной ориентации собственного спина и орбитального момента отличается от состояния с антипараллельной ориентацией. Это приводит к важному следствию: каждый нуклонный уровень энергии в ядре расщепляется на два уровня с различными значениями энергии («спин — орбитальное расщепление уровней»).

Кроме перечисленных выше основных предположений, которые используются в той или иной модели, пользуются и другими предположениями, позволяющими объяснить те или иные экспериментальные данные с необходимой точностью. Изложение этих деталей приводится в специальных монографиях. Ниже дадим краткое изложение некоторых сравнительно простых ядерных моделей.