Natury sił jądrowych jeszcze nie poznaliśmy do końca, dlatego posługujemy się modelami jądrowymi, które są uproszczonymi koncepcjami budowy jąder. Konkretny model jądrowy powinien prawidłowo (lub choćby tylko w przybliżeniu) prawidłowo w określonym zakresie znany zespół faktów doświadczalnych i przewidywać nowe fakty, które dotychczas nie były obserwowane. Dobry model nie powinien prowadzić do rażących sprzeczności z jakimikolwiek obserwacjami z danej dziedziny. Podstawę modelu jądrowego stanowią zawsze jakieś założenia upraszczające, wskutek czego każdy taki model ma tylko ograniczone zastosowanie.

Model ten zwany jest też modelem statystycznym. Polega on na założeniu, że w jądrze istnieją protony i neutrony, między parami których działają siły przyciągające. Nukleonom tym odpowiadają fale płaskie de Broglie'a utworzone wewnątrz sześcianu o objętości jądra. Model ten bywa niekiedy stosowany do opisu jąder ciężkich bombardowanych cząstkami o wysokiej energii.

Stosuje się go w przypadku jąder ciężkich, które tworzy około 100 lub więcej nukleonów. Model ten nie zajmuje się indywidualnymi nukleonami, natomiast rozważa jądro jako kroplę płynu kwantowego, podlegającego rozmaitym drganiom i obrotom. Własności jądra są wyrażone przez takie cechy, jak gęstość i napięcie powierzchniowe cieczy, oraz przez rozkład ładunku elektrycznego wewnątrz niego. Model kroplowy z niezwykłym powodzeniem opisywał pewne klasy jąder o wyraźnie niezapetnionych powłokach - czyli takich, które mają dużą liczbę nukleonów w najbardziej zewnętrznej powłoce. Model kroplowy pozwala opisać jakościowo rozszczepienie jądra jako podział kropli materii jądrowej na krople dużo mniejsze. Model ten zawodzi jednak zupełnie przy przewidywaniu poziomów jądrowych oraz wyjaśnieniu obserwowanych doświadczalnie magicznych liczb jądrowych.

W modelu powłokowym rozważa się funkcję falową nukleonu poruszającego się w polu potencjału o symetrii kulistej, pochodzącego od wszystkich pozostałych nukleonów w jądra. W uproszczeniu można tu dostrzec analogię do planetarnego modelu atomu, przy czym jednak źródłem centralnego pola nie jest pojedynczy, wyróżniony obiekt (jak w jądro w atomie) lecz uśrednione, wypadkowe pole sił pozostałych nukleonów jądra, działających na rozważany nukleon. W wyniku żmudnych obliczeń otrzymano rozkład poziomów zapełnionych przez nukleony w jądrze. Nukleony mogą zajmować różne orbity, analogiczne do elektronowych orbit w atomie, ale w tym przypadku są dwie grupy orbit - jedna dla protonów i jedna dla neutronów. Podobnie jak elektrony, nukleony są cząsteczkami fermionowymi, do których stosuje się zasada wykluczania Pauliego, tak że dwa spośród nich nie mogą zajmować tej samej orbity. Orbity tworzą powłoki, czyli grupy orbit mających podobne energie, a pomiędzy powłokami jest duża przerwa energetyczna.
Jądra o zamkniętych (wypełnionych) powłokach protonowych albo zamkniętych powłokach neutronowych (zwłaszcza takie, które mają je obie zamknięte) wykazują dużą stabilność, podobnie jak atomy szlachetnych gazów o wypełnionych powłokach elektronowych. Są to tak zwane liczby magiczne nukleonów w jądrze: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, .., które obserwowane są doświadczalnie. Jednak niektóre własności model ten nie opisuje poprawnie. Przyczynę tego prawdopodobnie stanowi fakt, że jest to model jednocząstkowy, w którym zaniedbana została rola ruchów pozostałych nukleonów.
W przypadku jąder, mających kilka dodatkowych nukleonów poza zamkniętą powłoką, można do pewnego stopnia zaniedbać indywidualne nukleony w zamkniętych powłokach i skoncentrować się na tych kilku znajdujących się na zewnątrz nich. Należy jednak uwzględnić oddziaływania pomiędzy zewnętrznymi nukleonami. W przypadku ciężkich jąder, z wieloma nukleonami na zewnątrz zamkniętej powłoki, obliczenia bardzo się komplikują, nawet jeżeli użyje się nowoczesnych komputerów.

Model oddziałujących bozonów uwzględnia własności siły jądrowej polegającej na kojarzeniu nukleonów w pary. Łącząc w sobie model powłokowy i model kroplowy, traktuje on ciężkie jądro parzysto-parzyste jako zbiór nukleonowych par na zewnątrz zamkniętej powłoki. Opisuje się ruch nukleonów jako pary. Kiedy dwa nukleony tworzą parę, to przypominają bozon, ale możliwe są różne typy par.
W jądrach najprostrzego typu, parzysto parzystych wszystkie protony i wszystkie neutrony są połączone w pary. Takie jądra mają bardzo niewiele stanów wzbudzonych.
W jądrach nieparzysto-parzystych, o parzystej liczbie jednego typu nukleonów i nieparzystej drugiego, niepołączony w parę nukleon wprowadza więcej wzbudzeń. W jądrach nieparzysto - nieparzystych zarówno proton, jak i neutron nie mają pary i dlatego są odpowiednio bardziej skomplikowane.

Model kolektywny jest modelom, w którym podstawową role gra założenie o pewnych kolektywnych ruchach zespołów nukleonów należących do zamkniętych powłok jądrowych. Dopuszcza się przy tym możliwość deformacji (nawet trwałych) jądra, tj., odrzuca się założenie o jego symetrii kulistej. Według tego modelu zamknięte, wypełnione powłoki w jądrach ulegają deformacji, która jest skutkiem polaryzacji tego "rdzenia" jądra spowodowanej działaniem nukleonów spoza powłok zamkniętych. W modelu kolektywnym zatem rozróżnia się i uwzględnia indywidualny ruch "luźnych" nukleonów i kolektywny ruch zamkniętych powłok rdzenia. W rozkładzie poziomów jądrowych występują wówczas poziomy związane z "jedno cząstkowym" ujęciem ruchów poszczególnych nukleonów i spoza powłok zamkniętych oraz znacznie niżej położone poziomy związane z energią ruchów rotacyjnych i oscylacyjnych rdzenia. Zakładając następnie możliwość oddziaływania wzajemnego obu tych rodzajów ruchu otrzymuje się model jednoczący w sobie cechy ujęcia jednocząstkowego oraz kolektywnego. Za pomocą tego modelu można przewidzieć i wyjaśnić wiele faktów doświadczalnych.
Modele jądrowe, a zwłaszcza ostatni z opisanych, są tematem licznych prac teoretycznych, a konfrontacja ich z rzeczywistością - tematem badań doświadczalnych. Opisane tu modele jądrowe nazywa się modelami statycznymi, ponieważ rolą ich jest opis jąder "swobodnych", nie związanych oddziaływaniem z innymi cząstkami lub jądrami. Modele jądrowe odzwierciedlające stan jądra w trakcie reakcji i po jej zajściu zwane są modelami jądrowymi dynamicznymi.

---

« Poprzednia  Następna »