۲-۱- مقدمه
برهمکنش متقابل میان نوکلئون ها هنگامی که برای تشکیل هسته‌های سنگین و متوسط متراکم می‌شوند، برای مدت طولانی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند. مفهوم نیروی بین هسته‌ای و محاسبه خصوصیات هسته‌ای بسیار پیچیده است و برای شناخت هسته و خصوصیات آن، تنها راه ساده سازی، شبیه سازی و استفاده از مدل‌های هسته‌ای خاص و نیروهای هسته‌ای ساده شده است.
در هر هسته حالتی با کمترین انرژی، حالت پایه نامیده می‌شود و حالت‌هایی با انرژی بالاتر را، حالت‌های برانگیخته می‌نامند. بسیاری از خصوصیات نیروهای هسته‌ای را می‌توان از بررسی هسته در حالت پایه بدست آورد، در برسی های دقیق‌تر ویژگی‌های معینی ظاهر می‌شوند. مدل‌های هسته‌ای برای توضیح این ویژگی‌ها توسعه داده شده‌اند. در غیاب یک تئوری دقیق تعدادی از مدل‌های هسته‌ای توسعه یافته‌اند. برای این کار فرضیات بسیاری برای ساده سازی روابط به کار رفته‌اند. هر مدل تنها قادر به توضیح بخشی از دانش تجربی ما راجع به هسته است.
در حالت کلی مدل‌های هسته‌ای به دو گروه تقسیم می‌شوند: مدل‌های ذره مستقل (IPM) که در آن نوکلئون ها به طور مستقل در یک پتانسیل هسته‌ای معمولی حرکت می‌کنند. گروه دیگر، مدل‌های برهم کنش قوی (SIM) که در آن نوکلئون ها به طور قوی با یکدیگر جفت شده‌اند. ساده‌ترین مدل برهم کنش قوی، مدل قطره مایع است و ساده‌ترین مدل ذره مستقل، مدل گاز فرمی است.
۲-۲- مدل قطره مایعی و فرمول نیمه تجربی جرم
نظریه مفصل بستگی هسته‌ای، مبتنی بر روش‌های ریاضی و مفاهیم فیزیکی پیچیده، توسط بروکنر و همکارانش (از ۱۹۵۴ تا ۱۹۶۱) ابداع شده است. مدل بسیار ساده شده‌ای نیز در سال ۱۹۳۵ توسط وایس زکر با پیشنهاد بور بدست آمد. در این مدل از بعضی ویژگی‌های ظریف‌تر نیروهای هسته‌ای صرف نظر شده است، ولی بر جاذبه قوی بین نوکلئونی تاکید می‌کند. در این مدل فرض می‌شود که نوکلئون ها با همسایه‌های نزدیک خود فعل و انفعال متقابل دارند، درست همان گونه که مولکول‌ها در یک قطره آب با هم برهم کنش دارند [۵,۴,۳].
فرض‌های اساسی به قرار زیرند:
۱- هسته از ماده غیر قابل تراکم تشکیل شده است، به طوری که .
۲- نیروی هسته‌ای برای هر نوکلئون یکسان است و به نوع آن بستگی ندارد.
۳- نیروی هسته‌ای اشباع می‌شود.
آثار کولومبی و مکانیک کوانتومی را به طور جداگانه بررسی می‌کنیم. طبق فرض‌های ۲ و ۳، در یک هسته نامتناهی با نوکلئون، انرژی بستگی اصلی متناسب با است. اما چون هسته‌های واقعی متناهی هستند، معمولاً یک شکل کروی برای آن در نظر می‌گیرند. از این رو نوکلئون های سطحی، به اندازه آنچه هم اکنون تخمین زدیم، تحت جاذبه یکسان از طرف دیگر نوکلئون ها قرار نمی‌گیرند و از این رو باید جمله‌ای متناسب با تعداد نوکلئون های سطحی یا متناسب با مساحت سطح را از تخمین مبتنی بر هسته‌ی نا متناهی، کم کرد. از طرفی نیروی دافعه کولومبی که بین تمام جفت پروتون‌ها برقرار است، از انرژی بستگی کم خواهد کرد. (نیروی کولومبی دارای برد زیاد است و اشباع نمی‌شود). علاوه بر این، جمله‌ای را باید معرفی کنیم که به هسته‌های با ، بیشترین بستگی را نسبت دهد. این جمله، پیامد مستقیمی از رفتار مکانیک کوانتومی نوترون‌ها و پروتون‌ها می‌باشد. بالاخره، باید جملات تصحیحی لازمی را معرفی کنیم که بیشترین بستگی را برای هسته‌های زوج- زوج و کمترین بستگی را برای هسته‌های فرد- فرد به دست بدهند و آثار پوسته‌ای را منعکس کنند.
اهمیت این مدل در این حقیقت نهفته است که جنبه‌های علمی داده‌های جرم هسته‌ای را تبیین می‌کند. این امر تایید کننده آن است که جمله انرژی بستگی اصلی، که متناسب با می‌باشد، باید تصحیح شود. چون این جمله در بین فرض‌های دیگر به فرض “استقلال از بار” نیروهای هسته‌ای بستگی دارد، می‌توان نتیجه گرفت که بر هم کنش‌های هسته‌ای ، ، یکسان هستند.
انرژی بستگی، ، یک هسته عبارت است از اختلاف انرژی بین جرم هسته و جرم کل پروتون‌ها ( پروتون) و نوترون‌های تشکیل دهنده آن ( نوترون) که به صورت زیر نوشته می‌شود.
(۲- ۱)
رابطه انرژی بستگی کل یک هسته را می‌توان به صورت زیر نوشت.
(۲- ۲)
که در آن
جمله حجمی
جمله سطحی متناسب با مساحت سطح کره.
جمله انرژی زوجیت، که برای هسته‌های با A ی فرد برابر صفر است، برای هسته‌های (N زوج - Aزوج) علامت (+) و برای هسته‌های (N فرد – Aفرد) علامت (-) را به کار می‌بریم و ? جمله پوسته‌ای، که اگر N یا Z یک عدد جادویی باشد مثبت است.
جمله انرژی عدم تقارن و جمله انرژی کولنی هستند.
۲-۲-۱- انرژی عدم تقارن
جمله عدم تقارن نتیجه مستقیم رفتار کوانتوم مکانیکی پروتون‌ها و نوترون‌ها است و بیشترین بستگی را به هسته‌هایی با ، بیشترین بستگی را نسبت می‌دهد.
طبق اصل طرد پائولی در هر طراز فقط یک نوکلئون می‌تواند وجود داشته باشد و فرض می‌کنیم ترازها در فاصله یکسان از هم قرار داشته باشند، انرژی عدم تقارن عبارت است از اختلاف بین انرژی هسته-ای یک هسته با اعداد نوترونی و پروتونی و با انرژی ایزوباری که در آن اعداد نوترونی و پروتونی، هردو، مساوی است. اگر بخواهیم هسته اول را از هسته دوم بسازیم باید پروتون به نوترون تبدیل شود، یعنی
و انرژی لازم برای این کار است. و با قرار دادن به جای ، جمله انرژی عدم تقارن بدست می‌آید.
۲-۲-۲- انرژی کولنی
ما در فرض‌های اولیه، دافعه کولنی بین پروتون‌ها را در نظر نگرفتیم، این نیرو دارای برد بلند است و اشباع نمی‌شود، برای محاسبه این نیرو، هسته را به صورت یک کره با بار و شعاع در نظر بگیریم، آنگاه انرژی کولنی با توجه به روابط زیر محاسبه می‌شود:
(۲- ۳)
از طرفی
(۲- ۴)
(۲- ۵)
با جایگذاری دو عبارت بالا در عبارت اول داریم:
(۲- ۶)
عبارت بالا شامل یک جمله خود انرژی برای هر پروتون است (که با قرار دادن پیدا می‌شود)، که اضافه محاسبه شده است، و باید این جمله برای Z پروتون از جمله بالا کسر گردد.
(۲- ۷):
نمودار انرژی بستگی هسته‌ها بر حسب داده‌های تجربی و فرمول نیمه تجربی جرم در شکل‌های .(۲-۱) و (۲-۲) نشان داده شده است.
شکل(۲- ۱): انرژی بستگی هسته‌ها که به صورت تجربی به دست آمده‌اند.
شکل(۲- ۲): انرژی بستگی هسته‌ها براساس فرمول نیمه تجربی جرم
هر چند که مدل قطره مایعی را بیشتر بر حالت‌های پایه اعمال می‌کنند، ولی می‌توان آن را برای حالت‌های برانگیخته نیز به کار برد. این حالت‌ها می‌توانند توسط نوسان‌های سطحی قطره‌ی هسته، یا توسط چین و شکن‌هایی که بر روی سطح آن حرکت می‌کنند، ایجاد شوند. این عقیده مخصوصاً در توجیه بعضی از جنبه‌های شکافت هسته‌ای موفق بوده است. مدل قطره مایعی بر آثار جمعی بین نوکلئون های متعدد موجود در هسته نیز تایید دارد و پیشقراول مدل‌های جمعی ساختار هسته‌ای است. آنچه در این مدل صراحت دارد تقسیم سریع انرژی بین نوکلئون هاست که مبنای نظری بوهر را در مورد شکل بندی هسته مرکب در واکنش‌های هسته‌ای تشکیل می‌دهد [۶].
۲-۳- مدل پوسته‌ای هسته
۲-۳-۱- مقدمه
نظریه اتمی با بهره گرفتن از مدل پوسته‌ای توانسته است به طور کاملاً روشن جزئیات پیچیده ساختار اتم‌ها را توضیح دهد. به همین دلیل متخصصان فیزیک هسته‌ای، به امید آنکه بتوانند به توصیف روشنی از خواص هسته‌ها دست یابند، سعی کردند در بررسی ساختار هسته‌ای از نظریه مشابهی استفاده کنند. در مدل پوسته‌ای اتم‌ها، پوسته‌ها را با الکترون‌هایی که انرژی‌شان به ترتیب افزایش می‌یابد پر می‌کنیم، و این آرایش الکترونی به گونه‌ای است که اصل طرد پائولی در آن رعایت می‌شود. بدین ترتیب، هر اتم متشکل است از: یک ناحیه مرکزی خنثی که پوسته‌های پر دارد، و چند الکترون ظرفیت که در پوسته‌ای خارج از این ناحیه مرکزی قرار می‌گیرند. در این مدل، فرض بر این است که عمدتاً همین الکترون‌های ظرفیت هستند که خواص اتم‌ها را تعیین می‌کنند. هنگامی که پیش بینی‌های این مدل را با بعضی از خواص اندازه گیری شده سیستم‌های اتمی مقایسه می‌کنیم، آن‌ها را به خوبی یا هم سازگار می‌یابیم. بویژه مشاهده می‌کنیم که تغییرات خواص اتمی در محدوده هر زیر پوسته تدریجی و کم است، در حالی که وقتی از یک زیر پوسته به زیر پوسته دیگر می‌رویم تغییرات خواص ناگهانی و زیاد است.
هنگامی که سعی می‌کنیم تا این مدل را به قلمرو هسته‌ای هم گسترش دهیم، از همان آغاز کار با چند مانع روبرو می‌شویم. در مورد اتم‌ها، پتانسیل حاکم را میدان کولنی هسته تأمین می‌کند. یعنی یک عامل خارجی زیر پوسته‌ها (یا مدارها) را سازمان می‌دهد. اما در مورد هسته هیچ عامل خارجی وجود ندارد، و نوکلئون ها در پتانسیلی که خودشان به وجود می‌آورند در حرکت اند. یکی دیگر از جنبه‌های جالب توجه نظریه پوسته‌ای اتم‌ها وجود مدارهای فضایی است. خواص اتم‌ها را اغلب بر حسب مدارهای فضایی الکترون‌ها توصیف می‌کنیم. الکترون‌ها می‌توانند نسبتاً آزادانه در این مدارها حرکت کنند، بدون اینکه برخوردی با الکترون‌های دیگر داشته باشند. قطر نوکلئون ها در مقایسه با اندازه هسته نسبتاً بزرگ است. در حالی که هر نوکلئون منفرد در خلال حرکتش در هر مدار می‌تواند برخوردهای متعددی با نوکلئون های دیگر داشته باشد، چگونه می‌توان نوکلئون ها را در مدارهای کاملاً مشخص در حرکت تصور کرد. در مدل پوسته‌ای، مسئله پتانسیل هسته‌ای را با بیان این فرض بنیادی حل می‌کنیم: حرکت هر نوکلئون منفرد را تحت تأثیر پتانسیل واحدی که نوکلئون های دیگر همه در تولید آن شرکت دارند، در نظر می‌گیریم. اگر هر یک از نوکلئون ها را به این نحو مورد بررسی قرار دهیم، آنگاه برای تمامی نوکلئون های موجود در هسته می‌توانیم ترازهای انرژی متناظر به زیر پوسته‌ها را به دست آوریم. وجود مدارهای فضایی مشخص را اصل طرد پائولی تعیین می‌کند. فرض می‌کنیم که در یک هسته سنگین، تقریباً در ته چاه پتانسیل، برخوردی بین دو نوکلئون صورت می‌گیرد و نوکلئون ها هنگام برخورد با هم انرژی تولید می‌کنند، اما اگر تمامی ترازهای انرژی تا تراز نوکلئون های ظرفیت پر شده باشد، هیچ راهی برای کسب انرژی نوکلئون نمی‌ماند؛ مگر آنکه مقدار انرژی به اندازه‌ای باشد که نوکلئون را به تراز ظرفیت برساند. سایر ترازهای نزدیک‌تر به تراز اولیه نوکلئون همگی پر هستند و نمی‌توانند یک نوکلئون اضافی را بپذیرند. انرژی لازم برای این انتقال که از ترازی نزدیک به تراز پایه به نوار ظرفیت انجام می‌شود، بیشتر از مقداری است که معمولاً در برخورد بین دو نوکلئون از یکی از آن‌ها به دیگری منتقل می‌شود. از این رو، چنین برخوردی بین نوکلئون ها نمی‌تواند صورت گیرد، و گویی نوکلئون ها در حرکت مداری شان با هیچ گونه ممانعتی از طرف نوکلئون های درون هسته روبرو نمی‌شوند [۷].
۲-۳-۲- پتانسیل مدل پوسته‌ای
نخستین گام در ارائه مدل پوسته‌ای، انتخاب پتانسیل هسته‌ای مناسب است. در آغاز دو نوع پتانسیل چاه نا متناهی و نوسانگر هماهنگ را در نظر می‌گیریم. همچنانکه در فیزیک اتمی دیدیم، واگنی هر تراز را تعداد نوکلئون هایی که می‌توانند در آن قرار بگیرند تعیین می‌کند. به عبارت دیگر، واگنی هر تراز برابر می‌شود که در آن عامل از طریق واگنی و عامل ۲ از طریق واگنی حاصل شده است. نوترون‌ها و پروتون‌ها، چون ذرات نایکسان هستند، به طور جداگانه شمرده می‌شوند. بنابراین در تراز علاوه بر ۲ نوترون، ۲ پروتون هم می‌تواند قرار گیرد. ظهور اعداد جادویی ۲، ۸ و ۲۰ در هر دو نوع پتانسیل دل گرم کننده است، ولی در ترازهای انرژی بالاتر هیچ گونه ارتباطی با اعداد جادویی تجربی به چشم نمی خورد. به عنوان اولین گام در اصلاح مدل، سعی می‌کنیم پتانسیل واقع بینانه تری را انتخاب کنیم. چاه نا متناهی، بنابر دلایلی، تقریب خوبی برای پتانسیل هسته‌ای نیست: برای جدا کردن یک نوترون یا پروتون از هسته، با صرف انرژی کافی باید بتوانیم آن را از چاه خارج کنیم.دراین صورت،عمق چاه نمی نواند بی نهایت باشد. بعلاوه،لبه پتانسیل هسته‌ای نباید تیز باشد بلکه مثل توزیع بار و جرم هسته‌ای، مقدار پتانسیل بعد از شعاع میانگین، R، باید به آهستگی به سوی صفر میل کند. از طرف دیگر، پتانسیل نوسانگر هماهنگ هم لبه اش به اندازه کافی تیز نیست و انرژی جدایی آن نیز بی نهایت می‌شود. از این رو شکل واقع بینانه تر پتانسیل را به صورت بینابینی
(۲- ۸)
انتخاب می‌کنیم که منحنی نمایش آن در شکل (۲- ۳):رسم شده است. پارامترهای R و a به ترتیب شعاع میانگین و ضخامت پوسته هستند، که مقادیرشان تقریباً برابر است با: و . عمق چاه V0چنان تنظیم می‌شود که برای انرژی‌های جدایی که از مرتبه ۵۰Mev است، مقادیر مناسبی به دست می‌آید. ترازهای انرژی حاصل در شکل (۲-۴) نشان داده شده است. نتیجه پتانسیل جدید، در مقایسه با نوسانگر هماهنگ این است که واگنی l را در پوسته‌های جدید برطرف می‌کند. هر چه به طرف انرژی‌های بالاتر پیش می‌رویم، فاصله ایجاد شده در این مورد بیشتر می‌شود، به طوری که سرانجام این فاصله بن فاصله بین ترازهای نوسانگر هماهنگ قابل مقایسه خواهد شد. وقتی پوسته‌های حاصل را به ترتیب با نوکلئون پر می‌کنیم، باز هم اعداد جادویی ۲، ۸ و ۲۰ را به دست می‌آوریم، ولی اعداد جادویی بالاتر را نمی‌توان با این محاسبات پیدا کرد.
شکل(۲- ۴): پتانسیل هسته‌ای بین نوکلئون های هسته به همراه پتانسیل کولنی.
۲-۳-۳- پتانسیل اسپین- مدار
این پتانسیل را چگونه می‌توانیم اصلاح کنیم تا همه اعداد جادویی را از آن بدست آوریم؟ چون نمی- خواهیم محتوای فیزیکی این مدل را از بین ببریم، مسلماً نمی‌توانیم تغییر زیادی در پتانسیل وارد کنیم. دلایل توجیهی معادله (۲- ۹) را به عنوان یک حدس خوب پتانسیل هسته‌ای قبلاً ارائه کردیم. بنابراین، برای بهبود محاسبات لازم است که جمله‌های مختلفی به معادله (۲- ۱۰) افزوده شود. در دهه ۱۹۴۰ تلاش‌های نافرجام زیادی برای یافتن این جمله تصحیحی صورت گرفت و سرانجام مایر، هاکسل، سوئس و جنسن در سال ۱۹۴۹ موفق شدند که با افزودن یک پتانسیل اسپین- مدار فاصله‌های مناسبی بین زیر پوسته‌ها به دست آورند [۹,۸].
در اینجا بار دیگر به فیزیک اتمی روی می‌آوریم، یکی دیگر از مفاهیم آن را به کار می‌گیریم. برهم کنش اسپین- مدار در فیزیک اتمی که مولد ساختار ریز مشاهده شده در خطوط طیفی است، از برهم کنش الکترومغناطیسی بین گشتاور مغناطیسی الکترون و میدان مغناطیسی ناشی از حرکت الکترون به دور هسته حاصل می‌شود. اثر این برهم کنش نوعاً خیلی کوچک و شاید از مرتبه یک قسمت از ۱۰۵ قسمت فاصله بین ترازهای اتمی است.
هیچ برهم کنش الکترومغناطیسی از این نوع نخواهد توانست تغییرات محسوسی را در فواصل تراز هسته‌ای ایجاد و اعداد جادویی را باز تولید کند. با وجود این، در اینجا مفهوم نیروی اسپین- مدار هسته‌ای را به همان صورت نیروی اسپین- مدار اتمی، ولی نه از نوع الکترومغناطیسی آن، در نظر می‌گیریم. در واقع، به توجه به آزمایش‌های پراکندگی شواهدی قوی در دست است که حاکی از وجود نیروی اسپین- مدار در برهم کنش نوکلئون- نوکلئون است.
برهم کنش اسپین مدار را به صورت در نظر می‌گیریم، ولی شکل خیلی مهم نیست. این عامل ls است که باعث تجدید سازمان ترازها می‌شود. همچنان که در فیزیک اتمی دیدیم، حالت‌ها را در حظور برهم کنش اسپین- مدار بایر با تکانه زاویه‌ای کل نشانه گذاری می‌کنیم. عدد کوانتومی اسپین هر نوکلئون برابر است، پس مقادیر ممکن برای عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای کل عبارت اند از و ( البته به استثنای مورد l=0 که در آن فقط مقدار مجاز است). مقدار انتظاری ls را با بهره گرفتن از یک شگرد متداول می‌توان محاسبه کرد. نخست مقدار را به دست می‌آوریم.
(۲- ۱۱)
(۲- ۱۲)
با قرار دادن مقادیر انتظاری در این معادله، رابطه زیر حاصل می‌شود.
(۲- ۱۳)
فرم در حال بارگذاری ...
