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.

перейти к началу страницы