原子核

歴史

原子核は、トムソンの原子の「プラムプディングモデル」をテストするためのアーネストラザフォードの努力の結果として、1911年に発見されました。^[9]電子はすでにJJトムソンによって発見されていました。原子が電気的に中性であることを知っているJJThomsonは、正電荷も存在する必要があると仮定しました。トムソンは、彼のプラムプディングモデルで、原子が正電荷の球内にランダムに散乱した負の電子で構成されていることを示唆しました。アーネスト・ラザフォードは後に、彼の研究パートナーであるハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンの助けを借りて、金属箔の薄いシートに向けられたアルファ粒子（ヘリウム原子核）の偏向を含む実験を考案しました。彼は、JJ Thomsonのモデルが正しければ、正に帯電したアルファ粒子は、負電荷と正電荷が非常に密接に混合されている場合、フォイルが電気的に中性として機能するため、パスの偏差がほとんどなく、フォイルを簡単に通過できると考えました。ニュートラルに見​​えます。驚いたことに、粒子の多くは非常に大きな角度で偏向していました。アルファ粒子の質量は電子の約8000倍であるため、大きくて動きの速いアルファ粒子を偏向させるには、非常に強い力が必要であることが明らかになりました。彼は、プラムプディングモデルは正確ではなく、アルファ粒子のたわみは正電荷と負電荷が互いに分離されている場合にのみ説明でき、原子の質量が正電荷の集中点であることに気づきました。これは、正の電荷と質量の密度の高い中心を持つ核原子のアイデアを正当化しました。

語源

用語の核は、ラテン語からである核のちっぽけなNUX（桃のような）果実の水っぽいタイプ内部のカーネル（すなわち、「小さなナット」）を意味し、（「ナット」）。1844年、マイケルファラデーは、「原子の中心点」を指すためにこの用語を使用しました。現代の原子の意味は1912年にアーネスト・ラザフォードによって提案されました。^[10]しかしながら、原子理論への「核」という用語の採用は即座ではありませんでした。1916年に、例えば、ギルバート・ルイスは、彼の有名な記事で、述べザ原子・分子「は、原子がで構成されていること、カーネルおよび外原子又は殻」^[11]

核構成

灰色の陰影の電子雲を伴うヘリウム-4原子の比喩的な描写 。原子核では、2つの陽子と2つの中性子が赤と青で描かれています。この描写は粒子を別々のものとして示していますが、実際のヘリウム原子では、陽子は空間に重ねられており、おそらく原子核の中心にあります。同じことが2つの中性子にも当てはまります。したがって、4つの粒子はすべて、中心点のまったく同じ空間にある可能性があります。別々の粒子の古典的な画像は、非常に小さな原子核の既知の電荷分布をモデル化できません。より正確な画像は、ヘリウム原子核内の核子の空間分布が、空想的な原子核画像よりもはるかに小さいスケールではありますが、ここに示されているヘリウム電子雲にはるかに近いこと です。

原子の核は中性子と陽子で構成されており、これらはクォークと呼ばれるより素粒子の現れであり、バリオンと呼ばれるハドロンの特定の安定した組み合わせで核の強い力によって関連付けられています。核の強い力は、正に帯電した陽子間の反発電気力に対抗して中性子と陽子を結合するように、各バリオンから十分に遠くまで伸びています。核の強い力は非常に短い範囲であり、核の端を越えて本質的にゼロに低下します。正に帯電した原子核の集合的な作用は、電気的に負に帯電した電子を原子核の周りの軌道に保持することです。原子核を周回する負に帯電した電子の集まりは、特定の構成と電子の数に親和性を示し、軌道を安定させます。これは化学元素原子の数によって決定される表し、プロトン核内; 中性原子は、その原子核を周回する同数の電子を持ちます。個々の化学元素は、それらの電子を共有するために組み合わせると、より安定した電子配置を作成できます。私たちのマクロ世界の化学として私たちに見えるのは、原子核の周りに安定した電子軌道を作成するための電子の共有です。

陽子は原子核の電荷全体を定義し、したがってその化学的同一性を定義します。中性子は電気的に中性ですが、陽子とほぼ同じ程度に原子核の質量に寄与します。中性子は、同位体（原子番号が同じで原子量が異なる）の現象を説明できます。中性子の主な役割は、原子核内の静電反発力を減らすことです。

陽子と中性子はフェルミ粒子であり、強いアイソスピン 量子数の値が異なるため、2つの陽子と2つの中性子は同一の量子実体ではないため、同じ空間波動関数を共有できます。それらは、同じ粒子である核子の2つの異なる量子状態と見なされることがあります。^{[12] [13]} 2つの陽子、2つの中性子、または陽子+中性子（重陽子）などの2つのフェルミ粒子は、整数スピンを持つペアで緩く結合すると、ボソンの振る舞いを示す可能性があります。

ハイパー核のまれなケースでは、1つまたは複数のストレンジクォークおよび/または他の異常なクォークを含む、ハイペロンと呼ばれる3番目のバリオンも波動関数を共有できます。しかし、このタイプの核は非常に不安定であり、高エネルギー物理学実験を除いて地球上には見られません。

中性子は、半径≈0.3fmの正に帯電したコアを持ち、半径0.3 fm〜2fmの補償する負の電荷に囲まれています。陽子は、平均二乗半径が約0.8 fmで、ほぼ指数関数的に減衰する正電荷分布を持っています。^[14]

核は、球形、ラグビーボール形（扁長変形）、円盤状（扁球変形）、三軸（扁球変形と扁長変形の組み合わせ）、または洋ナシ形にすることができます。^{[15] [16]}

原子核は、残留する強い力（核力）によって結合されます。残留強い力がマイナー残ある強い相互作用バインドがフォーム陽子と中性子に一緒にクォーク。この力ははるかに弱い間、それは主にそれらの中に中和されているため、その電磁力と同じように、中性子と陽子との間（例えば、中性原子ルワールス力デアヴァン2個の不活性ガス原子との間の行為をした）その電磁力よりもはるかに弱いです原子の部分を内部で一緒に保持します（たとえば、その核に結合した不活性ガス原子に電子を保持する力）。

核力は、典型的な核子分離の距離で非常に魅力的であり、これは電磁力による陽子間の反発を圧倒し、核が存在することを可能にします。ただし、残留強い力は距離とともに急速に減衰するため、範囲が制限されます（湯川ポテンシャルを参照）。したがって、特定のサイズよりも小さい核だけが完全に安定することができます。既知の最大の完全に安定した原子核（つまり、アルファ、ベータ、およびガンマ崩壊に対して安定）は、合計208個の核子（126個の中性子と82個の陽子）を含む鉛208です。この最大値よりも大きい原子核は不安定であり、核子の数が多いほど寿命が短くなる傾向があります。ただし、ビスマス209はベータ崩壊に対しても安定しており、既知の同位体の中でアルファ崩壊までの半減期が最も長く、宇宙の年齢の10億倍と推定されています。

残留する強い力は非常に短い範囲（通常はわずか数フェムトメートル（fm）、およそ1つまたは2つの核子の直径）で有効であり、核子の任意のペア間に引力を引き起こします。たとえば、陽子と中性子の間で[NP]重陽子を形成し、陽子と陽子の間、および中性子と中性子の間でも同様です。

核力（残留強い力としても知られる）の範囲の有効な絶対限界は、リチウム-11やボロン-14などのハロー核によって表されます。このハロー核では、ジニュートロンまたは他の中性子の集まりが約10 fm（ほぼ同様8 FMのウラン238の原子核の半径）。これらの核は最大密度ではありません。中性子ハロー核は核種のチャートの端（中性子ドリップラインと陽子ドリップライン）に形成され、ミリ秒単位で測定される短い半減期ですべて不安定です。たとえば、リチウム-11の半減期は8.8ミリ秒。

事実上、ハローは、外側の量子殻に核子があり、その「下」にエネルギーレベルが満たされていない励起状態を表しています（半径とエネルギーの両方の点で）。ハローは、中性子[NN、NNN]または陽子[PP、PPP]のいずれかでできています。単一中性子ハローを持っている核は、¹¹のBeをし、¹⁹ C. A 2中性子ハローがで展示されて⁶彼、¹¹のLi、¹⁷ B、¹⁹ Bおよび²²の3つの断片にC.二中性子ハロー核ブレーク、決して2、そして、この振る舞いのためにボロミアン核と呼ばれます（いずれかのリングを壊すと他の両方が解放される3つのインターロックされたリングのシステムを指します）。⁸彼と^14は両方の展示四つの中性子ハローう。プロトンハロを有していて含む核⁸ Bおよび²⁶によって示されているP. A二陽子ハロ¹⁷ Ne及び^27のS.プロトンハローは、理由の反発電磁力により、中性子例よりもまれで不安定であることが期待されます過剰なプロトン。

物理学の標準モデルは、原子核の組成と振る舞いを完全に説明すると広く信じられていますが、理論から予測を生成することは、素粒子物理学の他のほとんどの領域よりもはるかに困難です。これは2つの理由によるものです。

• 原則として、原子核内の物理学は完全に量子色力学（QCD）から導き出すことができます。しかし実際には、原子核などの低エネルギーシステムでQCDを解くための現在の計算および数学的アプローチは非常に限られています。これは、高エネルギーのクォーク物質と低エネルギーのハドロン物質の間で発生する相転移が原因で、摂動法が使用できなくなり、核子間の力の正確なQCD導出モデルを構築することが困難になります。現在のアプローチは、アルゴンヌv18ポテンシャルなどの現象論的モデルまたはカイラル有効場の理論のいずれかに限定されています。^[17]
• 核の力が十分に制約されている場合でも、計算能力にかなりの量を正確に核の性質を計算するために必要な第一原理を。多体理論の発展により、多くの低質量で比較的安定した原子核でこれが可能になりましたが、重い原子核や非常に不安定な原子核に取り組むには、計算能力と数学的アプローチの両方をさらに改善する必要があります。

歴史的に、実験は必然的に不完全な比較的粗雑なモデルと比較されてきました。これらのモデルのいずれも、核構造に関する実験データを完全に説明することはできません。^[18]

核の半径（Rは）任意のモデルが予測しなければならないことを基本的な量の1つであると考えられています。安定した原子核（ハロー原子核やその他の不安定な歪んだ原子核ではない）の場合、原子核の半径は、原子核の質量数（A）の立方根にほぼ比例します。特に、多くの核子を含む原子核では、より球形の構成に配置されます。

安定した原子核の密度はほぼ一定であるため、原子核の半径Rは次の式で近似できます。

${\ displaystyle R = r_ {0} A ^ {1/3} \、}$

ここで、A =原子質量数（陽子の数Zと中性子の数N）およびr ₀  = 1.25 fm = 1.25× ^10-15m です。この式で、「定数」R ₀問題の核に依存0.2 FMによって変化するが、これは一定の20％未満の変化です。^[19]

言い換えれば、陽子と中性子を原子核に詰めると、一定サイズの剛体球（ビー玉など）を固い球形またはほぼ球形の袋に詰めるのとほぼ同じ合計サイズの結果が得られます（一部の安定核は完全に球形ではありませんが、既知ですすることが扁長）。^[20]

核構造のモデルは次のとおりです。

液滴モデル

核の初期のモデルは、核を回転する液滴と見なしていました。このモデルでは、長距離の電磁力と比較的短距離の核力のトレードオフにより、さまざまなサイズの液滴の表面張力に似た動作が発生します。この式は、サイズや組成の変化に伴う結合エネルギー量の変化など、原子核の多くの重要な現象を説明するのに成功していますが（半経験的質量式を参照）、原子核が特別な場合に発生する特別な安定性については説明していません。陽子または中性子の魔法数」。

多くの原子核の結合エネルギーを概算するために使用できる半経験的質量式の項は、5種類のエネルギーの合計と見なされます（以下を参照）。次に、非圧縮性液体の液滴としての原子核の画像は、原子核の結合エネルギーの観測された変動を大まかに説明しています。

体積エネルギー。同じサイズの核子の集合体が最小の体積に一緒に詰め込まれるとき、各内部核子はそれに接触している特定の数の他の核子を持っています。したがって、この原子力エネルギーは体積に比例します。

表面エネルギー。原子核の表面にある核子は、原子核の内部にある核子よりも他の核子と相互作用することが少ないため、その結合エネルギーは小さくなります。この表面エネルギー項はそれを考慮に入れているため、負であり、表面積に比例します。

クーロンエネルギー。原子核内の陽子の各ペア間の電気的反発は、その結合エネルギーの減少に寄与します。

非対称エネルギー（パウリエネルギーとも呼ばれます）。パウリの排他原理に関連するエネルギー。クーロンエネルギーがなければ、最も安定した形の核物質は陽子と同じ数の中性子を持ちます。なぜなら、中性子と陽子の数が等しくないということは、あるタイプの粒子に対してより高いエネルギーレベルを満たし、より低いエネルギーレベルを空けておくからです。他のタイプ。

ペアリングエネルギー。陽子対と中性子対が発生する傾向から生じる補正項であるエネルギー。偶数の粒子は奇数よりも安定しています。

シェルモデルと他の量子モデル

核のモデルの数も多くのように、核子の軌道を占有する提案されている原子軌道における原子物理学の理論。これらの波動モデルは、核子がポテン​​シャル井戸内のサイズのない点粒子、または「光学モデル」のようにポテンシャル波内を高速で摩擦なしに周回する確率波のいずれかであると想像します。

上記のモデルでは、核子はフェルミ粒子であるため、ペアで軌道を占める可能性があります。これにより、実験でよく知られている偶数/奇数のZおよびN効果を説明できます。核殻の正確な性質と容量は、原子軌道の電子のものとは異なります。これは主に、核子が移動するポテンシャル井戸（特に大きな核子）が、原子内の電子を結合する中央の電磁ポテンシャル井戸とはまったく異なるためです。原子軌道モデルとの類似点は、ヘリウム4のような小さな原子核に見られることがあります。この原子核では、2つの陽子と2つの中性子が別々に1s軌道を占め、ヘリウム原子の2つの電子の1s軌道に類似しています。同じ理由で安定性。5つの核子を持つ原子核はすべて非常に不安定で短命ですが、3つの核子を持つヘリウム3は、閉じた1s軌道シェルがなくても非常に安定しています。3つの核子を持つ別の原子核であるトリトン水素-3は不安定であり、分離されるとヘリウム3に崩壊します。1s軌道に2つの核子{NP}がある弱い核安定性は、重陽子水素2に見られ、陽子と中性子のポテンシャル井戸のそれぞれに1つの核子しかありません。各核子はフェルミ粒子ですが、{NP}重陽子はボソンであるため、シェル内の密なパッキングについてはパウリの排他原理に従いません。6核子を持つリチウム6は、閉じた2番目の1pシェル軌道がなくても非常に安定しています。総核子数が1から6の軽い原子核の場合、5の原子核だけが安定性の証拠を示しません。閉じた殻の外側の軽い原子核のベータ安定性の観察は、核の安定性が、魔法数の陽子と中性子による殻軌道の単純な閉鎖よりもはるかに複雑であることを示しています。

より大きな原子核の場合、核子が占める殻は電子殻とは大きく異なり始めますが、それにもかかわらず、現在の核理論は、陽子と中性子の両方について満たされた核殻の魔法数を予測します。安定したシェルの閉鎖は、化学におけるほぼ不活性なガスの希ガスのグループに類似した、異常に安定した構成を予測します。一例は、50個の陽子の閉じた殻の安定性です。これにより、スズは他のどの元素よりも10個の安定同位体を持つことができます。同様に、シェルクロージャーからの距離は、放射性元素43（テクネチウム）や61（プロメチウム）など、これらの粒子の数が安定していない同位体の異常な不安定性を説明しています。安定した要素。

しかし、閉じたシェルからかなり離れた核特性を説明しようとすると、シェルモデルに問題があります。これにより、実験データに適合するポテンシャル井戸の形状の複雑な事後歪みが発生しましたが、これらの数学的操作が実際に実際の原子核の空間変形に対応するかどうかという疑問が残ります。シェルモデルの問題により、核子クラスターを含む現実的な2体および3体の核力効果を提案し、これに基づいて核を構築する人もいます。そのような3つのクラスターモデルは、ジョンウィーラーの1936年の共鳴グループ構造モデル、ライナスポーリングの最密スフェロンモデル、およびマグレガーの2Dイジングモデルです。^[18]

モデル間の一貫性

超流動 液体ヘリウムの場合と同様に、原子核は、（1）体積の「通常の」粒子の物理的規則と（2）波のような性質の非直感的な量子力学的規則の両方が適用される状態の例です。超流動ヘリウムでは、ヘリウム原子は体積を持ち、本質的に互いに「接触」しますが、同時に、ボーズ・アインシュタイン凝縮と一致する奇妙なバルク特性を示します。原子核の核子も波のような性質を示し、摩擦などの標準的な流体特性を欠いています。フェルミ粒子であるハドロンでできた原子核の場合、ボーズ・アインシュタイン凝縮は起こりませんが、それでも、波状の摩擦のない運動特性に加えて、粒子の特性と体積の組み合わせによってのみ、多くの核特性を同様に説明できます。中に捕捉されたオブジェクトの振る舞いエルヴィン・シュレーディンガーの量子軌道。

• ニュークリアス–オンライン教科書の章
• 核種のLIVEChart - IAEAでのJavaまたはHTML
• 「核殻モデル」に関する記事。さまざまな要素に核殻を充填します。2009年9月16日にアクセス。
• タイムライン：素粒子の概念、核科学と技術。