Почему ядра атомов, на самом деле, не сферические?

Ядра атомов открыли еще в 1911 году, и с тех самых пор ученые просто решили, что они должны быть сферической формы. Интуитивно в этом есть смысл, но действительно ли они сферические? Портал livescience.com разобрался в вопросе.

Для начала стоит понимать архитектуру атома. Ядро, состоящие из скопления протонов и нейтронов, в 10 000 раз меньше самого атома. Несмотря на то, что именно на ядро приходится подавляющее большинство массы атома, на первый взгляд оно не оказывает влияния на его свойства. Химия атома зависит от конфигурации электронов, а физические характеристики — от взаимодействия с окружающими атомами.

В 1949 году, параллельно идее электронных оболочек в атомной физике, ученые предложили оболочечную модель ядра. Она гласит, что протоны и нейтроны находятся внутри своего рода оболочек, а дополнительная энергия способна активировать эти частицы, что приводит к колебаниям уровней энергии между фиксированными значениями.

Правда, позже стало понятно, что большая часть поведения ядра описывается коллективной моделью — оно действует как единый объект. По факту, ядро может проявлять два типа свойств: оно способно поворачиваться и вибрировать. Методом спектроскопии вращение можно обнаружить в большинстве молекул, зафиксировав разные уровни энергии. Но сферические объекты выглядят одинаково вне зависимости от того, как они повернуты. По этой логике атомы, будучи симметричными системами, не должны генерировать целый спектр показателей энергии.

После этого открытия в 1950-х целенаправленные эксперименты раскрыли существование целого ряда разных форм атомных ядер, от жемчужин до чего-то похожего на драже. Круглые ядра — исключение, а не общепринятое правило. Примерно 90% всех ядер по форме похожи на мяч для американского футбола в низкоэнергетической форме.

Ядра более экзотических форм ограничены определенными регионами ядерного чарта, особенно вокруг радия. А сферические ядра обычно ограничиваются атомами с «магическим» числом ядерных частиц. Но из-за чего происходит деформация? Разгадка, вероятно, кроется в квантовой механике. Уравнение Шредингера предсказывает, как волновая функция объекта будет меняться со временем, по сути очерчивая вероятные движения и позицию объекта. В случае ядер атомов оно, в решенном виде, выдает облако вероятностей для всех возможных положений атома и, как следствие, его потенциальных форм.

Обычные решения уравнения Шредингера не выглядят сферическими. Но ученые пока не понимаю, почему некоторые из деформированных ядер атомов встречаются чаще, чем другие.