Новости науки
16.06.02 А может быть, ядра -- тетраэдры?
Какую форму имеют атомные ядра? Уже на самой заре ядерной физике
пришло понимание того, что самой стабильной формой должен быть шар или
по крайней мере форма, близкая к сферической. За прошедшие десятилетия многочисленные
данные подтвердили это заключение. Несколько исследованных ядер, правда,
обладали заметными отклонениями от строгой сферической симметрии, однако,
такие редкие случаи считались экзотикой. В целом же, сфера считалась наиболее устойчивой
формой существования ядер, и конкурентов у нее не было. Не было... до недавнего времени,
пока не оказалось, что существуют еще более устойчивые "конструкции".
Представление атомного ядра в виде "капельки" жидкого ядерного вещества --
одна из самых простых и интуитивно понятных идей относительно устройства ядер.
Точно так же, как и капелька воды, ядро состоит из "несжимаемых" движущихся частичек,
связанных короткодействующими силами.
Вполне естественный вывод отсюда -- ядро должно быть шарообразной формы,
поскольку именно такая форма отвечает минимуму полной энергии ядра: грубо говоря,
любые отклонения будут подавляться поверхностным натяжением ядерной жидкости.
Этот аргумент достаточно силен, поэтому сразу стоит оговорится --
когда в дальнейшем речь пойдет о несферических ядрах, то мы будем иметь в виду лишь
небольшую степень несферичности.
Описанная выше картинка не учитывает законов квантовой механики, которые крайней важны
для протонов и нейтронов, движущихся в ядре. Квантовая же картинка работает
с моделью ядерных оболочек -- моделью, во многом аналогичной тому, как устроены электронные
оболочки в атоме. Оказалось, что вездесущая сфера проявляется и здесь:
в первом приближении можно представить себе ядро в виде набора сферических оболочек.
По мере увеличения количества нуклонов в ядре, эти оболочки начинают постепенно заполняться,
и когда полностью заполняется очередная оболочка, ядро становится исключительно стабильным.
Предсказанные моделью сферических оболочек магические числа нуклонов (то есть,
те числа, когда заполняется очередная оболочка) вполне согласуются с экспериментом --
и это является еще одним свидетелем в пользу этой модели.
Однако взаимодействие между нуклонами достаточно сложно,
и более детальный анализ показывает, что для определенного типа ядер
строгая сферическая симметрия может быть слегка нарушена,
и тогда наиболее выгодной может оказаться вытянутая или приплюснутая эллипсообразная форма.
Такие несферические ядра в самом деле были открыты экспериментально, однако
они до сих пор являются экзотикой в ядерной физике. Эти данные подтверждаются и
модельными расчетами -- надо очень и очень постараться (постараться -- это значит
выбрать определенный вид межчастичного взаимодействия), чтобы сферическое ядро
пожелало слегка исказиться.
Однако в недавней работе [J.Dudek et al., Phys.Rev.Lett. 88, 252502 (2002) ] предсказывается,
что деформации определенного вида -- а именно, дважды-тетраэдральные,
то есть в виде двух тетраэдров с общей гранью --
могут понижать полную энергию ядра.
Как утверждают авторы, этот эффект должен быть универсальным, и потому
склонность слегка деформироваться должна быть присуща практически всем ядрам,
должна прослеживаться по всей периодической системе элементов!
В чем главный аргумент такого сильного утверждения? Он состоит в особых
свойствах симметрии найденной формы. Оказывается, что в некоторых случаях
наблюдается специфическое геометрическое четырехкратное вырождение
октупольных деформаций (дважды-тетраэдральная деформация -- частный случай октупольных деформаций).
Что это означает? Это означает, что теперь на данной
ядерной орбитали, т.е. при данной энергии, может находиться в четыре раза больше нуклонов
(сакжем, восемь вместо двух). То есть, мы добавляем нуклоны в ядро,
и вместо того, чтобы взбираться вверх по энергии, каждый дополнительный нуклон
пока сидит на фиксированном месте. То есть, полная энергия ядра растет не так быстро, как
в случае строгой сферической симметрии.
В терминах ядерных энергетических уровней это означает, что появляется естественным образом
очень большая энергетическая щель между оболочками.
Заметьте, что это -- чисто геометрический аргумент. Он не требует какого-то специфического
знания о межнуклонном взаимодействии или чего-то еще. Это -- редкое свойство изучаемой группы симметрии.
Таким образом, получается, что тенденция слегка нарушать сферическую симметрию
в пользу определенной октупольной деформации должна быть правилом, а не исключением среди ядер.
Как мы уже сказали, слишком сильная деформация не выгодна: этого не допустят
эффекты поверхностного натяжения ядерной материи.
Однако вполне возможна такая ситуация, когда все ядра, насчитывающие как минимум
несколько десятков нуклонов, не строгие сферы, а "немножко дважды-тетраэдры".
Проверка, так ли это на самом деле -- задача экспериментаторов.
В цитируемой статье уже предлагаются варианты поиска этой вездесущей октупольной
симметрии. Для этого авторы провели численный расчет и дали конкретные предсказания
формы некторых средних и тяжелых ядер.
Если эти предсказание подтвердятся, мы будем свидетелями очень
интересного примера, когда относительно простые геометрические рассуждения
помогают предсказать новый эффект в очень сложной сильновзаимодействующей
многочастичной системе.
|