De ce nu este un nucleu al unui atom?

De când nucleul atomic a fost primul propus în 1911fizicienii au presupus pur și simplu că este rotund. ​

Dar sunt cu adevărat nucleele atomilor? Intuitiv, această formă are sens, iar fizicienii au crezut că a explicat în mod adecvat măsurătorile timpurii ale proprietăților nucleare. Abia după ani mai târziu a început să apară primele dovezi ale unei imagini mai complexe.

În primul rând, să explorăm arhitectura atomului. Format dintr -un grup de protoni și neutroni în centrul unui atom, un nucleu este de 10.000 de ori mai mic decât atomul în ansamblu, „ca o muscă într -o catedrală”, a spus David JenkinsUn fizician nuclear la Universitatea din York din Marea Britanie, în ciuda faptului că conține majoritatea covârșitoare a masei unui atom, nucleul în sine are un impact foarte mic asupra proprietăților atomului la prima vedere. Chimia unui atom este determinată de configurația electronilor, în timp ce orice caracteristică fizică apar din modul în care interacționează cu alți atomi.

Paralel cu ideea cojilor de electroni în fizica atomică, în 1949, oamenii de știință au propus Model de coajă nucleară: Protonii și neutronii stau în cochilii nucleare distincte, iar aportul de energie suplimentar poate excita aceste particule să sară în sus și în jos între nivelurile de energie fixă.

„Dar mai târziu, a devenit evident că cea mai mare parte a comportamentului în nuclei a fost descris de ceea ce numiți un comportament colectiv – acționează ca un obiect coerent”, a spus Jenkins pentru Live Science. Rezultatul este că nucleul în ansamblu poate apoi să manifeste două tipuri de proprietăți: se poate roti sau poate vibra.

Înrudite: De unde electronii obțin energie pentru a se învârti în jurul nucleului unui atom?

Metodele spectroscopice pot detecta această rotație în majoritatea moleculelor, măsurând o amprentă a diferitelor niveluri de energie de rotație. Dar obiectele sferice arată la fel, indiferent de direcția în care sunt transformate, astfel încât sistemele simetrice – cum ar fi atomi – Nu generați un spectru.

„Singurul mod în care puteți vedea dovezi de rotație în nuclee este dacă nucleul este deformat”, a explicat Jenkins. „Și oamenii au văzut că nucleul are modele de excitație cunoscute sub numele de benzi de rotație, astfel încât a arătat că nucleul este deformat”.

De la această descoperire uimitoare în anii ’50, experimentele vizate au relevat o serie de forme nucleare, din pere la M&M – și rotund este foarte mult excepția și nu regula. Aproximativ 90% dintre nuclei au o formă de fotbal american-denumită din punct de vedere tehnic „deformată prolată”-în starea lor energetică cea mai mică, cu surprinzător puțini luând o formă de formă de M&M, deformată.

„Nu știm de ce această formă prolată pare mai favorabilă decât forma oblată”, a spus Jenkins. „Unele nuclee au, de asemenea, mai multe forme, astfel încât să poată expune una în starea solului, apoi puneți ceva energie în ele și se deformează într -o altă formă.”

Nucleul mai exotic în formă de pere este limitat la anumite zone ale graficului nuclear, în special în jurul radiumului, în timp ce nucleele sferice sunt în general limitate la atomi cu numere „magice” (sau cochilii complete) ale particulelor nucleare. Dar ce cauzează deformarea?

„Se simte intuitiv că forma de bază a unui obiect care nu este excitat sau zbuciumat sau întins ar trebui să fie sferică”, a spus a spus Paul Stevensonun fizician nuclear la Universitatea din Surrey din Marea Britanie „Dar, de fapt, în cazul nucleelor, este surprinzător faptul că oricare dintre ei este sferic, deoarece respectă legile mecanicii cuantice”.

Ecuația Schrödinger – unul dintre cele mai fundamentale principii din Mecanica cuantică – Prezice matematic cum se va schimba funcția de undă a unui obiect în timp, oferind în esență un mijloc de estimare a mișcării și poziției posibile a acelui obiect. Rezolvarea acestui lucru pentru un nucleu atomic oferă, prin urmare, un nor de probabilitate pentru toate locurile posibile pe care le -ar putea fi, care, luate împreună, dau forma nucleară.

„Soluțiile de bază ale ecuației lui Schrödinger nu arată sferice – obțineți aceste forme care merg într -un cerc, dar apoi încep să fluture”, a explicat Stevenson. „Deci, deoarece aceste soluții cu funcție de undă cuantică au asimetrie în sine, face ca particulele din nucleu să fie mai probabil să indice într-o direcție”.

Pentru nucleele sferice rare, această unitate se întâmplă doar să anuleze. Dar oamenii de știință nu înțeleg încă motivul – sau dacă există chiar unul – de ce unele dintre aceste forme deformate sunt mult mai frecvente decât altele.

„Aceasta răstoarnă o moștenire”, a spus Jenkins. „Este o inversare completă din modul în care oamenii au perceput inițial nucleele și există încă o mulțime de întrebări deschise.”

Victoria Atkinson este o jurnalistă științifică independentă, specializată în chimie și interfața sa cu lumile naturale și făcute de oameni. În prezent, cu sediul în York (Marea Britanie), a lucrat anterior ca dezvoltator de conținut științific la Universitatea din Oxford, iar mai târziu ca membru al echipei editoriale mondiale de chimie. De când a devenit freelancer, Victoria și -a extins atenția pentru a explora subiecte din toate științele și a lucrat și cu Chemistry Review, Neon Squid Publishing și Open University, printre altele. Are un DPhil în chimie organică de la Universitatea din Oxford.