Ядра атомів насправді не мають форму кулі: які висновки роблять вчені?

З моменту першої теорії атомного ядра, запропонованої у 1911 році, фізики інтуїтивно вважали, що воно має круглу форму. Ця гіпотеза здавалася логічною і добре пояснювала ранні вимірювання ядерних властивостей. Однак, з плином часу та розвитком наукових методів, почали з'являтися перші докази, що вказували на значно складнішу картину.

Сучасні наукові дослідження свідчать про те, що концепція сферичного ядра є невірною. Щоб глибше осмислити це відкриття, варто звернути увагу на структуру атома, як зазначає видання Live Science.

Ядро атома, що складається з протонів і нейтронів, розташоване в його центрі і є приблизно в 10 000 разів меншим за сам атом. Це порівняння можна проілюструвати як "муха в соборі", наводить приклад Девід Дженкінс, фізик-ядерник з Йоркського університету. Хоча ядро містить більшість маси атома, на перший погляд, воно має обмежений вплив на його хімічні та фізичні властивості, які в основному визначаються електронною конфігурацією і взаємодією з іншими атомами.

Паралельно з ідеєю електронних оболонок, у 1949 році вчені запропонували модель ядерної оболонки. Згідно з нею, протони та нейтрони існують у різних ядерних оболонках, і додаткова енергія може збуджувати ці частинки, змушуючи їх переходити між фіксованими енергетичними рівнями.

Колективна поведінка та деформація ядра

Однак, як зазначає Дженкінс, згодом стало очевидно, що більша частина поведінки в ядрах описується їхньою колективною поведінкою - вони діють як один цілісний об'єкт. Це означає, що ядро як ціле може обертатися або вібрувати.

Спектроскопічні методи здатні виявляти обертання більшості молекул шляхом аналізу відбитків енергетичних рівнів обертання. Проте сферичні об'єкти не змінюють свого вигляду при повороті, тому симетричні системи, такі як атоми, не створюють спектрів. "Ознаки обертання в ядрах можна спостерігати лише у випадку, якщо ядро має деформацію," -- зазначив Дженкінс. "Дослідники виявили, що ядра демонструють певні збуджені стани, відомі як обертальні смуги, що свідчить про їх деформованість."

З моменту вражаючого відкриття в 1950-х роках, цілеспрямовані дослідження виявили вражаюче різноманіття форм ядер, які варіюються від грушоподібних до тих, що нагадують драже M&M's. Кругла форма виявляється радше винятком, ніж стандартом. Приблизно 90% ядер у своєму найнижчому енергетичному стані мають форму, що нагадує американське футбольне м'яча, відому як "витягнуто-деформована". Несподівано, дуже мало ядер набувають протилежної, сплющеної сферичної форми, схожої на M&M's, яка має назву сплюснутої деформованої.

Дослідники досі не знайшли чітке пояснення, чому подовжена форма є більш вигідною, ніж сплюснена. Деякі ядра здатні змінювати свою конфігурацію: в одному стані вони можуть демонструвати одну форму, а при додаванні енергії трансформуватися в іншу.

Більш екзотичні форми, такі як грушоподібні ядра, обмежені певними ділянками ядерної карти, зокрема навколо радію. Сферичні ж ядра зазвичай зустрічаються в атомах з "магічним" числом ядерних частинок, тобто з повними оболонками.

"Зрозуміло, що основна форма об'єкта, який не підлягає збудженню, не коливається і не розтягується, має бути сферичною," — зазначає Пол Стівенсон, фізик-ядерник з Університету Суррея. "Однак, якщо говорити про ядра, то дивно, що будь-яке з них має сферичну форму, адже вони підпорядковуються законам квантової механіки." Рівняння Шредінгера, яке є одним із найосновніших принципів квантової механіки, описує, як хвильова функція об'єкта змінюється з часом, що в свою чергу визначає форму ядра.

Як зазначає Стівенсон, "основні розв'язки рівняння Шредінгера не мають сферичної форми — ви спостерігаєте, як вони набувають вигляду, що нагадує круговий рух, але згодом починають коливатися". Це відбувається через те, що квантові рішення хвильової функції мають в собі асиметрію, що призводить до того, що частинки в ядрі мають тенденцію рухатися в певному напрямку. Тільки у випадку рідкісних сферичних ядер ця хвилястість знаходить своє компенсування.

Проте, вчені досі не до кінця розуміють, чому деякі з цих деформованих форм зустрічаються набагато частіше, ніж інші.

OBOZ.UA запрошує вас ознайомитися з причинами, чому науковці вважають, що тривалість доби може зрости на одну годину.