Когда речь заходит о строении атома, в воображении сразу возникает чёткий образ: электронное облако вокруг сферического ядра. Всё аккуратное и "правильное". Ровные линии и классическая планетарная модель.
Те, кто постоянно следят за моими статьями, уже знают, что современная физика использует не модель Резерфорда, а модель Шрёдингера, где электроны расположены вероятностно. Но даже тут всё это иллюстрируется как правильная система. Ровные шарики и равномерные формы.
Наверняка вам интересно будет узнать, что даже стандартная модель описывает само ядро атома не как правильный шарик. Принятое на схемах представление - не более чем упрощённая картинка. В реальности всё куда сложнее. И самое интересное начинается, когда мы заглядываем внутрь самого ядра.
Несмотря на привычное представление, ядра атомов почти никогда не имеют идеальную сферическую форму. На самом деле, большинство из них - деформированы.
Эта деформация проявляется в виде отклонений от симметричной формы, чаще всего в виде так называемой квадрупольной деформации. То есть ядро оказывается либо немного сплюснутым, как мандарин, либо вытянутым, как дыня.
Конечно, встречаются и действительно сферические ядра. Но это, скорее, редкое исключение. Такие случаи наблюдаются тогда, когда число протонов и нейтронов в ядре соответствует так называемым магическим числам - 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Эти значения особенно устойчивы, что связано с завершением энергетических «оболочек» внутри ядра, аналогичных заполненным электронным оболочкам в атомах. Ядра с магическим числом частиц особенно устойчивы к возмущениям, и именно они ближе всего к идеальной сфере.
Термин «магические числа» появился благодаря работам Марии Гёпперт-Майер и Юджина Вигнера в середине XX века. Они заметили, что некоторые комбинации протонов и нейтронов приводят к ядрам с аномально высокой устойчивостью значительно выше, чем предсказывали тогдашние модели. Эти наблюдения стали толчком к развитию оболочечной модели ядра, которая позволила объяснить, почему именно такие числа оказываются «особенными».
Тем не менее, даже среди ядер с завершёнными оболочками встречаются отклонения от идеальной симметрии. Почему?
Ответ кроется в квантовой природе нуклонов (протонов и нейтронов). Эти частицы - фермионы, и они подчиняются принципу запрета Паули: никакие два нуклона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. В результате, когда ядро заполнено частично, нуклоны занимают высокоэнергетические уровни, находящиеся ближе к поверхности ядра. Здесь в дело вступают остаточные взаимодействия. В частности, тензорные компоненты сильного взаимодействия, а также кулоновские силы и парные корреляции между нуклонами. Всё это приводит к тому, что системе энергетически выгоднее принять деформированную форму, чтобы минимизировать свою полную энергию.
Эта деформация возникает в результате спонтанного нарушения вращательной симметрии гамильтониана - фундаментального закона, управляющего динамикой системы. Несмотря на то что сами уравнения обладают симметрией, решения (в данном случае — волновые функции ядра) могут эту симметрию нарушать.
Это явление хорошо известно в квантовой теории и называется спонтанным нарушением симметрии.
Рассчитать такую структуру можно только с помощью вариационных методов. Физики подбирают форму волновой функции таким образом, чтобы минимизировать энергию — и в большинстве случаев оказывается, что слегка вытянутое или сплюснутое ядро оказывается выгоднее. Кроме простых квадрупольных деформаций, встречаются и более сложные формы - например, октупольные (в форме «груши») и другие.
Возникает вопрос: если ядро теряет симметрию, как тогда объяснить его поведение при вращении? Ведь у любой реальной частицы должен быть определённый угловой момент.
Здесь на помощь приходят методы коллективных моделей, в которых деформация трактуется как упорядоченное движение - либо вращение ядра как целого, либо коллективные колебания, при которых протоны и нейтроны движутся согласованно. Эти модели позволяют «восстановить» угловой момент и описать наблюдаемые энергетические уровни.
И это не просто теория. Экспериментальные данные убедительно подтверждают, что ядра действительно деформированы. Один из наиболее прямых способов увидеть это - измерение электрических квадрупольных моментов.
Они показывают, как распределён заряд в ядре и насколько он отклоняется от сферической формы. Более того, спектры возбуждённых состояний ядер часто образуют характерные вращательные полосы, - последовательности уровней, которые соответствуют вращению деформированного ядра.
Подобные эффекты встречаются настолько регулярно, что любая серьёзная книга по ядерной физике уделяет им особое внимание. Если попытаться построить теорию, в которой все ядра предполагаются строго сферическими, она сразу начнёт противоречить данным - и довольно грубо.
Для тех, кто хочет копнуть глубже, существует обширная литература и целые базы данных, где собраны результаты расчётов деформаций ядер в зависимости от числа протонов и нейтронов. Эти таблицы позволяют увидеть, какие ядра более склонны к деформациям, а какие - ближе к идеальной сфере. Но, как показывает опыт, последнее редкое исключение.
В итоге всё очень просто. Атомное ядро - не всегда идеальный шар. Чаще всего это сложный, немного асимметричный, но невероятно устойчивый квантовый объект, в котором красота симметрии и эффективность энергии нашли некоторый компромисс.
Обязательно ознакомьтесь с подборкой на моём канале по теме этой статьи. Разбираем суть строения атома и разные интересные специфические моменты.
Не забывайте ставить лайки и подписываться на канал, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться.