Teoria structurii învelișului nucleului este unul dintre modelele nuclear-fizice care explică structura nucleului atomic , similar cu teoria structurii învelișului atomului . În cadrul acestui model, protonii și neutronii umplu învelișurile nucleului atomic, iar odată ce învelișul este umplut, stabilitatea nucleului este mult crescută.
Numărul de nucleoni ( protoni sau neutroni ) din nucleu, în care nucleele au o energie de legare mai mare decât nucleele cu cel mai apropiat (mai mult sau mai puțin) număr de nucleoni se numește număr magic [1] . Nucleele atomice care conțin numere magice 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126 , 164 pentru protoni și 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, 196, 228, 272 sunt mai ales stabile. pentru neutroni . ( Bold indică numere dublu magice, adică numere magice care există atât pentru protoni, cât și pentru neutroni).
Rețineți că învelișurile există separat pentru protoni și neutroni, astfel încât se poate vorbi de un „nucleu magic” în care numărul de nucleoni de un tip este un număr magic, sau un „nucleu dublu magic” în care numerele magice sunt numerele. de nucleoni de ambele tipuri. Datorită diferențelor fundamentale de umplere a orbitelor protonilor și neutronilor, umplerea ulterioară are loc asimetric: numărul magic pentru neutroni este 126 și, teoretic, 184, 196, 228, 272, 318 ... și doar 114, 126 și 164 pentru protoni. Acest fapt este important atunci când se caută așa-numitele „ insule ale stabilității ”. În plus, au fost găsite mai multe numere semimagice, de exemplu, Z = 40 ( Z este numărul de protoni).
Nucleele „dublu magice” sunt cei mai stabili izotopi , de exemplu, izotopul de plumb Pb-208 cu Z=82 și N=126 (N este numărul de neutroni).
Miezurile magice sunt cele mai stabile. Acest lucru este explicat în cadrul modelului de înveliș: adevărul este că învelișurile de protoni și neutroni din astfel de nuclee sunt umplute - precum învelișurile electronice ale atomilor de gaz nobil .
Conform acestui model, fiecare nucleon se află în nucleu într-o anumită stare cuantică individuală , caracterizată prin energie , moment unghiular ( valoarea sa absolută j, precum și proiecția m pe una dintre axele de coordonate) și momentul unghiular orbital l.
Energia de nivel nu depinde de proiecția momentului de rotație pe axa exterioară. Prin urmare, în conformitate cu principiul Pauli, la fiecare nivel energetic cu momentele j, l pot exista (2j + 1) nucleoni identici care formează o „cochilie” (j, l). Momentul total de rotație al carcasei umplute este zero. Prin urmare, dacă nucleul este compus numai din învelișuri umplute de protoni și neutroni, atunci spinul său va fi, de asemenea, egal cu zero.
Ori de câte ori numărul de protoni sau neutroni atinge un număr corespunzător umplerii următoarei învelișuri (astfel de numere se numesc numere magice), există posibilitatea unei schimbări asemănătoare unui salt a unor cantități care caracterizează nucleul (în special, energia de legare). ). Acest lucru creează un fel de periodicitate în proprietățile nucleelor în funcție de A și Z, similar legii periodice pentru atomi. În ambele cazuri, motivul fizic al periodicității este principiul Pauli, care interzice ca doi fermioni identici să fie în aceeași stare. Cu toate acestea, structura învelișului în nuclee este mult mai slabă decât în atomi. Acest lucru se întâmplă în principal pentru că în nuclee stările cuantice individuale ale particulelor ("orbite") sunt mult mai perturbate de interacțiunea lor ("coliziuni") între ele decât în atomi. Mai mult, se știe că un număr mare de stări nucleare nu sunt deloc ca un set de nucleoni care se mișcă independent în nucleu, adică nu pot fi explicate în cadrul modelului învelișului.
În acest sens, conceptul de cvasiparticule este introdus în modelul învelișului - excitații elementare ale mediului care se comportă efectiv în multe privințe ca niște particule. În acest caz, nucleul atomic este considerat ca un lichid Fermi de dimensiuni finite. Nucleul în starea fundamentală este considerat un gaz Fermi degenerat de cvasiparticule care nu interacționează efectiv între ele, deoarece orice eveniment de coliziune care schimbă stările individuale ale cvasiparticulelor este interzis de principiul Pauli. În starea excitată a nucleului, când 1 sau 2 cvasiparticule se află la niveluri de energie individuale mai ridicate, aceste particule, după ce au eliberat orbitele pe care le ocupau anterior în interiorul sferei Fermi , pot interacționa atât între ele, cât și cu gaura rezultată din învelișul inferior. . Ca urmare a interacțiunii cu o cvasiparticulă externă, poate avea loc o tranziție a cvasiparticulelor din starea umplută la starea neumplută, în urma căreia vechea gaură dispare și apare una nouă; aceasta este echivalentă cu trecerea unei găuri de la o stare la alta. Astfel, conform modelului de înveliș bazat pe teoria cuantică a lichidului Fermi, spectrul stărilor inferioare excitate ale nucleelor este determinat de mișcarea a 1-2 cvasiparticule în afara sferei Fermi și de interacțiunea lor între ele și cu găurile din interiorul sferei Fermi. . Astfel, explicația structurii unui nucleu multinucleon la energii de excitație scăzute se reduce de fapt la problema cuantică a 2-4 corpuri care interacționează (cvasiparticule - gaură sau 2 cvasiparticule - 2 găuri). Dificultatea teoriei constă totuși în faptul că interacțiunea cvasiparticulelor și găurilor nu este mică și, prin urmare, nu există încredere în imposibilitatea apariției unei stări excitate cu energie scăzută din cauza unui număr mare de cvasiparticule în exterior. sfera Fermi.
În alte versiuni ale modelului învelișului, este introdusă o interacțiune eficientă între cvasiparticule din fiecare înveliș, ceea ce duce la amestecarea configurațiilor inițiale ale stărilor individuale. Această interacțiune este luată în considerare prin metoda teoriei perturbațiilor (validă pentru perturbații mici). Inconsistența internă a unei astfel de scheme este că interacțiunea eficientă necesară teoriei pentru a descrie faptele experimentale se dovedește a fi deloc slabă. În plus, numărul parametrilor de model selectați empiric crește. De asemenea, modelele de înveliș sunt uneori modificate prin introducerea diferitelor tipuri de interacțiuni suplimentare (de exemplu, interacțiunea cvasiparticulelor cu vibrațiile suprafeței nucleului) pentru a obține un acord mai bun între teorie și experiment.
Modelul de înveliș al nucleului este de fapt o schemă semi-empirică care face posibilă înțelegerea unor modele în structura nucleelor, dar nu este capabil să descrie în mod consecvent cantitativ proprietățile nucleului. În special, având în vedere aceste dificultăți, nu este ușor să se determine teoretic ordinea în care sunt umplute învelișurile și, în consecință, „numerele magice” care ar servi drept analogi ai perioadelor din tabelul periodic pentru atomi. Ordinea în care sunt umplute învelișurile depinde, în primul rând, de natura câmpului de forță, care determină stările individuale ale cvasiparticulelor și, în al doilea rând, de amestecarea configurațiilor. Acesta din urmă este de obicei luat în considerare doar pentru cojile neumplute. Numerele magice observate experimental comune pentru neutroni și protoni (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) corespund stărilor cuantice ale cvasiparticulelor care se mișcă într-un puț de potențial dreptunghiular sau oscilator cu interacțiunea spin-orbita (este datorită faptului că numerele 28, 40, 82, 126)