مدل های هسته ی اتم

تور کوالالامپور

در فیزیک اتمی، قوانین نیرو به خوبی ثابت شده است؛ لذا تمام مدل های اتمی بر مبنای این قانون ساخته شده اند. اما برای هسته، شکل قطعی قوانین نیرو معلوم نیست؛ بنابراین برای توضیح رضایت آمیز تمامی مشخصات هسته های پایا و ناپایا یک مدل تنها موجود نیست. مدل های مختلفی برای ساختار هسته ی اتم وجود دارند؛ اما هیچکدام نتوانسته اند به طور واضحی ساختمان هسته را تشریح کنند.

مدل های سه بعدی از هسته اتم

برخی از این مدل ها عبارتند از:

i. مدل لایه ای

ii. مدل قطره مایع

iii. مدل هسته مرکب

iv. مدل اپتیکی

v. مدل اندرکنش مستقیم

vi. مدل جمعی

vii. مدل گاز فرمی

در زیر به برخی از مهم ترین مدل های هسته ای اشاره خواهیم کرد:

مدل قطره ای:

در سال 1939 این مدل توسط نیلز بور (برنده جایزه نوبل 1922در زمینه ی اتم) و جان ویلر مطرح شد . در این مدل، هسته را مشابه یک قطره کره ای شکل فرض می کنند . می دانیم که آن چه سبب کروی ماندن قطره می شود، نیروهای کشش سطحی قطره هستند؛ بنابراین سطح کره با حجم متناسب خواهد بود.

مدل قطره مایع برای درک فرایند شکافت هسته ای به کار می رود.

با چنین استدلالی می توان گفت که بین نیروهای نگهدارنده ی نوکلئون های هسته و نیروهای کشش سطحی که مایع را کروی نگه می دارند شباهت وجود دارد؛ نیروهای نگه دارنده ی هسته دارای خصوصیات زیر هستند:

دارای برد کوتاه هستند.
نیروی درون هسته بسیار قوی تر از نیروی الکترواستاتیک بین نوکلئون ها است.
این نیروها مستقل از جفت شدگی سایر نوکلئون ها هستند.
این نیروها محدود هستند و هر نوکلئون فقط می تواند نزدیک ترین نوکلئون های خود را جذب کند.

مدل لایه ای:

مشابه وضعیت اتمی که الکترون ها موقعیت هایی را در لایه ها که توسط اعدا کوانتومی مختلف مشخص می شوند، اشغال می کنند و میزان اشغال الکترون ها در آخرین پوسته، خواص و رفتار اتمی را معین می کند، هسته ها نیز وضعیت این چنینی خواهند داشت. برای مثال در اتم ها با 2، 10، 18، 36، 54 و 86 الکترون های تمام لایه ها به طور کامل پر شده اند. چنین ساختمان الکترونی دارای انرژی بستگی فوق العاده زیاد بوده و بسیار پایدارند؛ بنابراین از نظر شیمیایی، خنثی بوده و گازهای بی اثری خواهند بود. هسته هایی هم که دارای 2، 8، 20، 28، 50، 82 و 126 نوترون یا پروتون هستند، دارای فراوانی بیش تر نسبت به هسته هایی با عدد جرمی مشابه هستند و این نشان می دهد که این گونه هسته ها از نظر ساختار، بسیار پایدار هستند. هسته های ذکر شده، نسبت به هسته های مجاور خود دارای خواص کاملاً متفاوت هستند. اعدادی که در بالا ذکر شدند، به اعداد سحر آمیز معروفند. به کمک مدل قطره ای می توانیم تغییرات انرژی همبستگی را با عدد جرمی در نقاطی که منحنی دارای پیوستگی است، توضیح دهیم؛ ولی درنقاطی که منحنی پیوسته نیست، این مدل جواب گو نخواهد بود و برای توضیح رفتارهای هسته ها که نسبت به N به طور پیوسته تغییر نمی کنند، مدل لایه ای مناسب تر است.

در این مدل برای هسته، ساختاری لایه ای در نظر گرفته شده که نوکلئون ها در سطوح خاصی قرار می گیرند که هر سطح دارای انرژی مخصوص به خود است؛ البته فاصله ی لایه های هسته ای از فاصله ی لایه های الکترونی بیش تر است در این مدل نوکلئون ها نیز مانند الکترون با کسب انرژی، تحریک شده به لایه های بالاتر می رود. و قتی نوکلئون مجبور به بازگشت به لایه خود می شود یک فوتون آزاد می کند (پرتو گاما).

مدل هسته ی مرکب (مدل لایه ای- دسته جمعی):

پروتون ها و نوترون ها، هسته می تواند شکافته شده و تعداد پروتون ها و نوترون های آن تغییر کند.

بور و موتلسون با ترکیب برخی از قسمت های مدل لایه ای با مدل قطره مایع، مدل هسته ی مرکب را پیشنهاد کردند که تفسیر بسیاری از نتایج تجربی را ممکن ساخت.

در مدل هسته ی مرکب، در عین حال که حرکت های دسته جمعی و حرکت های ذرات به صورت انفرادی در نظر گرفته می شود، مانند مدل لایه ای، هر نوکلئون بر روی مداری قرار دارد که توسط پتانسیل حاصل از اثر تمامی نوکلئون های دیگر هسته تعیین می شود.

در ساختمان هسته، به دلیل حرکت دسته جمعی نوکلئون ها بر مدارهای فردی آن ها اثر می گذارد و پتانسیل ناحیه ای که نوکلئون ها در آن قرار می گیرند، تغییر می کند. اگر هسته دارای لایه های تقریباً پر باشند، به دلیل پایداری مرکز هسته، حرکت دسته جمعی نوکلئون ها دارای اهمیت چندانی نیست و مدل لایه ای (ذره ای) غالب است.

اگر تعداد پروتون ها و نوترون ها طوری باشد که فقط نصف یک لایه ی مربوط به نوکلئون ها پر شده باشد، مدل قطره مایع ( دسته جمعی) غالب است.

مدل گاز فرمی:

این مدل از مدل لایه ای اقتباس شده با این فرق که نوکلئون ها را مانند شکل بالا به طور جداگانه روی مدار در نظر گرفته است. طبق این مدل، نوترون ها و پروتون ها به صورت آزادانه در یک چاه پتانسیل جاذبه ای به ابعاد هسته حرکت می کنند. برهم کنش کولنی بین پروتون ها به وجود آورنده ی همین چاه پتانسیل است. به همین دلیل ته چاه پتانسیل برای پروتون در شکل بالا به اندازه ی چند ev بالاتر از نوترون هاست.