Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Інша корисна модель ядерної структури, яку називають альфа-частинковою моделлю або геліон-тритонною моделлю, ґрунтується на припущенні, що нуклони в ядрі можна розглядати як згруповані в геліони або тритони, які займають локалізовані 1s-орбіталі.
Рис. 20.15. Послідовність енергетичних рівнів нуклонів (області, що перекриваються) з віднесенням до послідовних шарів (внутрішня оболонка, зовнішня оболонка, мантія) на основі головного квантового числа.
Так, 8 протонів і 8 нейтронів у ядрі 16O можна вважати згрупованими в чотири геліони, які розташовані в кутах тетраедра. В оболонковій моделі протони й нейтрони описуються як такі, що займають 1s-орбіталь і три 1p-орбіталі. Ці чотири орбіталі можуть бути гібридизовані, як описано в розд. 5, з утворенням чотирьох локалізованих тетраедричних орбіталей, кожна з яких зосереджується навколо одного з чотирьох кутів тетраедра.
Спираючись на такі уявлення, можна просто пояснити багато властивостей ядер. Як приклад розглянемо 20Ne. Властивості цього ядра та споріднених із ним ядер (таких, як 21Ne і 21Na) підтверджують, що ядро 20Ne має вигляд деформованої сфери — воно витягнуте. Очікувана структура агрегату з п'яти геліонів — тригональна біпіраміда, при цьому п'ять геліонів займають положення, що відповідають положенням атомів Хлору у фосфор пентахлориді (рис. 7.6), а це узгоджується зі спостережуваною видовженою формою ядра.
Можна очікувати, що ядра з великим числом геліонів і тритонів мають структуру, в якій один геліон або тритон перебуває в центрі ядра, а інші нашаровуються навколо нього. Таку структуру можна було б припустити для 13 куль — за найщільнішого пакування, коли 12 куль розташовані навколо центральної кулі. Шарувату структуру можна приписати ядрам з геліонами й тритонами у внутрішній оболонці, за якою йде наступний шар — зовнішня оболонка, а потім віддаленіший зовнішній шар, який називають мантією, при цьому послідовним шарам приписують ядерні орбіталі, як показано на рис. 20.15. Таке віднесення ґрунтується на послідовності оболонок у даній оболонковій моделі за припущення, що підоболонка, яка трапляється лише з одним значенням головного квантового числа, належить до зовнішнього шару геліонів і тритонів, підоболонка з двома значеннями головного квантового числа (наприклад, 1s і 2s) належить до мантії та наступного за нею внутрішнього шару, а підоболонка з трьома значеннями головного квантового числа належить до мантії, наступної за нею оболонки й до внутрішньої оболонки.
Схему оболонкової моделі для ядер із магічними числами, з оболонками та підоболонками, віднесеними до різних шарів даного ядра, показано на рис. 20.16. Числа геліонів і тритонів у цих послідовних шарах близькі до чисел агрегатів куль за їх найщільнішого пакування.
Рис. 20.16. Структура ядер із магічними числами.
Поздовжня деформація важких ядер
Спостережувані властивості багатьох важких ядер свідчать про те, що ядра не мають сферичної форми, а весь час деформуються. Здебільшого деформуються ядра з числом нейтронів 90—116 і від 140 та вище. Більшість деформованих ядер мають вигляд витягнутих еліпсоїдів обертання, у яких великі півосі на 20—40% більші за малі.
Геліон-тритонна модель дає просте пояснення видовженої форми ядра з числом нейтронів 90. Це значення відповідає наявності в ядрі 45 геліонів і тритонів. Магічному числу N = 82 відповідає 41 геліон і тритон, які (рис. 20.15 і 20.16) розподіляються між послідовно розташованими шарами таким чином: 1 у внутрішній оболонці, 9 у наступній оболонці й 31 у мантії. Найщільніше пакування куль приблизно однакового розміру вимагає, щоб 1 куля була у внутрішній оболонці, 12 у наступній оболонці й 32 у мантії, а загальне їх число становить 45, як і показано на рис. 20.17, А. Додаткова куля могла б розміститися на поверхні цього майже сферичного агрегату або ввійти до внутрішньої оболонки, як показано на рис. 20.17, Б. Є підстави вважати, що за числа нейтронів 90 додаткова пара нейтронів проникає у внутрішню оболонку (займаючи орбіталь p3/2), внаслідок чого ця оболонка складатиметься з двох тритонів або геліонів, а це, у свою чергу, призводить до деформації ядра в цілому, яке набуває видовженої форми.
Рис. 20.17. Схема пакування куль навколо однієї центральної кулі (А) і навколо двох центральних куль (Б). У тривимірному просторі ікосаедричне (у вигляді двадцятигранника) пакування куль майже однакового розміру (різниця в межах 10%) вимагає в другому шарі навколо однієї центральної кулі 12 куль, а в зовнішньому шарі — 32 кулі.