atomkerne

I en given atomkerne kaldes den kvantetilstand af hele systemet, der har mindst energi, grundtilstanden. Det samlede sæt af mulige kvantetilstande (inkl. grundtilstanden) udgør atomkernens energispektrum. En illustration af dette spektrum med de forskellige tilstande ordnet opad efter deres energi giver et billede af kernens mulighed for at optage energi , fig. 4. Dette billede rummer, sammen med iagttagelser af, hvordan de forskellige tilstande kan befolkes eller affolkes, en slags kodet meddelelse om atomkernens indre dynamik. Gennem en tydning af denne kode, har man fået indblik i forholdene i atomkernernes indre.

Ud over ved energien kan de forskellige kvantetilstande karakteriseres med kvantetal, der angiver værdier for nogle andre karakteristiske størrelser for den givne tilstand. De vigtigste er pariteten, π (ikke at forveksle med tallet π), samt det totale impulsmoment, I, der får bidrag både fra nukleonernes banebevægelse og fra deres indre spin. Målt i enheder af ℏ er I et helt tal (I = 0, 1, 2,...) for atomkerner med et lige massetal, mens I er halvtalligt (¹/₂, ³/₂, ⁵/₂,...) for kerner med et ulige massetal. Denne vekslen mellem heltallige og halvtallige værdier af det totale impulsmoment er en konsekvens af, at de enkelte nukleoner er spin ¹/₂-partikler. Pariteten udtrykker, at kernen ikke kan skelnes fra sit eget spejlbillede, når den befinder sig i en bestemt kvantetilstand. I kvanteteorien kan en sådan symmetribetingelse opfyldes på to forskellige måder af den bølgefunktion, der beskriver kvantetilstanden. Det drejer sig om bølgefunktionens opførsel ved en rumlig spejling (x,y,z)↷(-x,-y,-z) af alle nukleonernes koordinater. Hvis bølgefunktionen forbliver uændret herved, taler man om positiv paritet, π = +. Hvis bølgefunktionen derimod skifter fortegn ved den rumlige spejling, taler man om negativ paritet π = —. Kvantetilstandenes impulsmoment og paritet bestemmer, hvilke radioaktive overgange der kan finde sted mellem de forskellige tilstande (udvalgsregler).

Det grundlæggende mønster i atomkernens indre dynamik er den frie bevægelse af kernens partikler inden for kernens overflade. Det er et mønster, som svarer til, at nukleonerne bevæger sig uafhængigt af hinanden i et fælles kraftfelt eller bindingsfelt, som de selv har frembragt. Kraftfeltets størrelse er udtryk for den tiltrækning, som kernens øvrige nukleoner i gennemsnit udøver på en enkelt nukleon. I deres bevægelse er det næsten, som om nukleonerne ikke støder mod hinanden, men kun mærker de andre nukleoner via det fælles kraftfelt. Det var Maria Goeppert-Mayer og Hans D. Jensen, der i 1949 påviste dette overraskende mønster ud fra en analyse af de dengang tilgængelige oplysninger om kernernes stabilitet og spektre. En første antydning af rigtigheden af dette billede, som har fået betegnelsen skalmodel, var en række vidnesbyrd om speciel stabilitet for atomkerner med N eller Z lig med et af de såkaldte "magiske tal" 2, 8, 20, 50, 82 og 126. Disse tal kan forstås ud fra kvanteteorien i form af en kvantisering af den enkelte nukleons bevægelse i kernens bindingsfelt. Denne tydning svarer til forståelsen af ædelgasatomernes specielle stabilitet inden for grundstoffernes periodiske system. Her drejer det sig imidlertid om forhold i det ydre atom, og nøglen til forståelsen er her kvantisering af de enkelte elektroners bevægelse i atomet. Billedet af kernen som et system, hvori de enkelte partikler heller ikke indvirker på hinandens bevægelse ved sammenstød, men blot fastholdes i et fælles bindingsfelt, var uventet i betragtning af kernekraftens styrke og korte rækkevidde.

Skalstrukturen i atomkerner har sin rod i et fundamentalt træk ved kvantesystemer med flere partikler. Det viser sig nemlig, at sådanne systemer kun kan indtage et af to fundamentalt forskellige mønstre i deres grundtilstand. Hvis kræfterne mellem systemets enkelte bestanddele er tilstrækkelig stærke, vil disse kræfter holde systemets partikler fast i rumlige positioner, hvor den potentielle energi har sit minimum. Dette gælder for atomerne i molekyler og i den faste tilstandsform. Denne lokalisering modvirkes imidlertid af partiklernes kinetiske energi. Kvantebeskrivelsen af partiklernes bevægelse medfører, at en rumlig lokalisering af en partikel inden for en afstand, s, kun er mulig, når partiklen har en mindste kinetisk energi ℏ²/2Ms², hvor M er partiklens masse (nulpunktsenergi). Jo kraftigere man søger at lokalisere partiklen ved at gøre spillerummet s mindre, jo større bevægelsesenergi får partiklen. Hvis denne kinetiske energi er større end den potentielle energi i den faste form, vil systemet i stedet finde en ikke-lokaliseret grundtilstand, hvor de enkelte bestanddele hver især bevæger sig igennem hele systemets volumen. Man taler da om en kvantevæske. Det er denne struktur, som danner grundlaget for elektronernes orden i atomer og i metaller samt for He-atomers bevægelse i flydende helium (ved lave temperaturer) og ydermere for nukleonernes bevægelse i atomkernen.

Det kan forekomme paradoksalt, at kernekræfterne skulle være ude af stand til at fastholde nukleonerne i faste rumlige positioner, for kernekræfterne er jo meget stærkere end de elektriske kræfter, der er ansvarlige for de faste stoffers struktur. Men her spiller det altså ind, at kræfternes rækkevidde samtidig er meget kort, således at nulpunktsenergien bliver meget stor. Sat på spidsen kan man sige, at kernekræfterne er svage, når de måles i de rette enheder.

Ved en nærmere betragtning af en nukleons bevægelse inde i kernen har det stor betydning, at bevægelsen trods alt foregår i et materielt medium bestående af de andre nukleoner. Under partiklens bevægelse vil de øvrige nukleoner vige til side på en ordnet måde og dermed bidrage til partiklens bevægelsesenergi, elektriske strøm, m.m. For at understrege denne "påklædning" af de enkelte partikler taler man om kvasipartikler. Disse kvasipartikler har en effektiv masse, effektiv ladning, effektive vekselvirkninger osv., som er anderledes end deres masse, ladning m.m. i fri tilstand.

Ved kerneprocesser, fx i stjerner eller i laboratoriet, kan der dannes atomkerner i ustabile kvantetilstande. De overgår da spontant til en anden kvantetilstand med større stabilitet under udsendelse af forskellige slags stråling. Disse processer kaldes radioaktivitet. De foregår med en karakteristisk halveringstid og er samtidig underlagt en række bevarelseslove (fx bevarelse af energi, elektrisk ladning, nukleontal m.fl.), som meget stærkt indskrænker de muligheder for udstrålinger, der kan optræde i form af radioaktivt henfald. De vigtigste er: a) gammahenfald, dvs. overgang mellem to tilstande i samme atomkerne med udsendelse af elektromagnetisk stråling; b) beta minus-henfald, hvor en neutron i kernen omdannes til en proton med udsendelse af en elektron og en elektron-antineutrino; c) beta plus-henfald, hvor en proton i kernen omdannes til en neutron med udsendelse af en positron, dvs. elektronens positivt ladede antipartikel og en elektron-neutrino; d) elektronindfangning, som er en anden form for beta-plus henfald, hvor protonen indfanger en elektron og derved omdannes til en neutron under udsendelse af en elektron-neutrino; e) alfahenfald, som er det mest almindelige eksempel på udsendelse af en sammensat kernepartikel, nemlig en heliumkerne. I sjældnere tilfælde kan ¹⁴C, ¹⁸O og andre større kerner udsendes; f) kernespaltning (fission), hvor kernen deles i to tunge fragmenter og et antal neutroner; g) neutronudsendelse; h) protonudsendelse, hvor hhv en neutron og en proton udsendes fra atomkernen.

Oprindelig forestillede man sig, at atomets positive ladning og masse var jævnt fordelt mellem de negativt ladede elektroner. Men ved forsøg, hvor en stråle af heliumkerner (alfapartikler) fra et radioaktivt præparat blev spredt fra guldatomer i form af et tyndt guldfolie, fandt man i 1911, at de positive heliumkerner blev afbøjet på samme måde, som når to punktformede positive partikler spredes pga. deres elektriske frastødning uden at komme i berøring med hinanden. Heraf sluttede Ernest Rutherford, at hele atomets positive ladning og masse måtte være samlet i en partikel med forsvindende lille udstrækning. Senere undersøgelser har vist, at atomkernen har en udstrækning på 10^-15-10^-14 m, som er hen ved 100.000 gange mindre end de 10^-10 m, som gælder for atomet som helhed.

Atomkernernes forhold er dybt præget af kvantefænomenerne, hvor et system under visse betingelser fremtræder som en samling af partikler, mens det under andre forhold udviser bølgeegenskaber med mulighed for interferens og etablering af skarpt adskilte resonanssvingninger.

Den mest detaljerede bestemmelse af protonernes fordeling i atomkernen bygger på forsøg, hvor meget hurtige elektroner (energi 100-1000 MeV) bliver afbøjet i atomkernens elektriske felt, som jo hidrører fra protonerne. Neutronernes fordeling bestemmes på tilsvarende måde ved afbøjningsforsøg med kernepartikler (neutroner, protoner, alfapartikler m.m.),

Ved høj excitationsenergi (ca. 5-10 MeV pr. nukleon) vil kernestoffet kunne skilles ad i små dele. Derved kommer kernestoffet mere til at ligne en luftart af nukleoner end en kvantevæske. Sådanne højt anslåede kernesystemer dannes i kraftige sammenstød mellem to tunge kerner, og igangværende undersøgelser sigter mod udvikling af egnede begreber for beskrivelse af disse kerneprocesser.

I sammenstød med endnu højere energi (mere end 10⁵ MeV pr. nukleon) forventes det, at nukleonernes indre struktur i form af kvarker og gluoner kommer til syne og måske fører til dannelsen af et nyt medium, et "kvark-gluon plasma."

• kernekræfter