Modelli del nucleo atomico

Centomila miliardi (1014) di volte più densi dell'acqua, i nuclei atomici (a) sono aggregati molto compatti di protoni (in arancione ) e neutroni (in blu).

Data l'intensità e la complessità della forza nucleare forte che tiene insieme i nuclei, i fisici hanno dovuto ricorrere a modelli approssimati per descrivere gli stati quantici dei nuclei.

a
b
Il modello a gusci (b) é molto simile a quello che descrive gli elettroni negli atomi. Considera il nucleo atomico come un insieme di neutroni e protoni (nucleoni) debolmente interagenti, trattenuti in un «pozzo» di energia potenziale. I nucleoni possono occupare varie orbite, analoghe a quelle degli elettroni in un atomo; tuttavia ci sono due gruppi di orbite, uno per i protoni e uno per i neutroni.
Come gli elettroni, i nucleoni sono fermioni e seguono il principio di esclusione, cosicché due di essi non possono occupare la stessa orbita. Si formano gusci, ossia gruppi di orbite aventi energie simili, separati da ampi intervalli. I nuclei che possiedono un guscio protonico o neutronico completo (pieno), e soprattutto quelli che li hanno entrambi, mostrano stabilità, esattamente come i gas nobili che hanno gusci elettronici completi.
Per i nuclei con pochi nucleoni in più rispetto alla configurazione a guscio completo (c), é possibile, almeno in parte, trascurare i nucleoni contenuti in quest'ultimo e concentrarsi sui pochi esterni a esso. Bisogna però tener conto delle interazioni fra questi nucleoni esterni. Nei nuclei pesanti, con molti nucleoni al di fuori dei guscio completo più estemo, i calcoli diventano proibitivi anche con i computer più moderni.
c
d
Il modello collettivo, o a goccia di fluido (d), si applica ai nuclei pesanti, formati da 100 o più nucleoni. Il modello non si occupa dei singoli nucleoni, ma considera il nucleo come una goccia di fluido quantistico che può andare soggetta a varie rotazioni e vibrazioni. Le proprietà dei nuclei sono espresse da parametri come la densità e la tensione superficiale dei fluido e la carica elettrica distribuita in esso. Questo modello ha avuto notevole successo nel descrivere certe classi di nuclei con numerosi nucleoni al di fuori dei guscio completo più esterno.
Nella fisica dei quanti, stati eccitati come le vibrazioni di una goccia nucleare assumono molte proprietà delle particelle e possono comportarsi come fermioni o come bosoni. Quando il modello collettivo viene applicato ai sistemi più semplici - i nuclei che hanno numeri pari di protoni e di neutroni - ì costituenti di base dei modello, ossia le vibrazioni superficiali, si comportano come bosoni. Se i nucleoni sono in numero dispari, l'ultimo nueleone occupa un'orbita che dipende dallo stato della goccia, e gli stati eccitati sono fermioni.

Il modello dei bosoni interagenti (e) collega i due modelli discussi prima sfruttando le proprietà di appaiamento della forza nucleare. Esso analizza i nuclei pesanti pari-pari come aggregati di coppie di nucleoni esterni a un guscio completo: é la stessa cosa che descrivere le persone in una sala da ballo come coppie e non individui. Quando due nucleoni si appaiano, assomigliano a un bosone, ma sono possibili differenti tipi di coppie; continuando l'analogia, alcune coppie volteggiano lentamente in un valzer, mentre altre saltellano animatamente in una polka.

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Da Le scienze 08/2002 p.49