Одной из неожиданностей в истории изучения ядер была широкая применимость оболочечной модели строения ядра. Оболочечная модель во многом аналогична общепринятым представлениям о строении атома: в двух словах отдельные нуклоны располагаются в определенных энергетических состояниях (на определенных уровнях) и их размещение по уровням определяется принципом Паули. Согласно этой модели нуклоны в ядре движутся квазисвободно в неком усредненном потенциале.
Оболочечная модель изначально была предложена для того, чтобы объяснить стабильность некоторых ядер, имеющих особое количество нуклонов (так называемое «магическое число», в отличии от атомарной модели, различающееся для протонов и нейтронов). Однако, не смотря на то, что в ее основе лежат в основном эмпирические соображения, выводы, сделанные на основе модели, хорошо согласуются с экспериментальными результатами.
Модель оболочек хорошо описывает так называемые «магические» ядра, у которых количество нуклонов (протонов или нейтронов) совпадает с определенным «магическим» числом. Но наибольший интерес ученых традиционно вызывают не эти стабильные ядра, а, наоборот, нестабильные (в особенности, различные экзотические случаи). Прошедшее десятилетие ученые уделяли огромное внимание таким нестабильным ядрам, и эксперименты показали, что энергия оболочек отклоняется от предсказанной модели тем сильнее, чем ядро «дальше» от стабильного состояния (чем больше число нуклонов отличается от «магического»). Отклонения носят периодический характер и, более того, наблюдаются даже в стабильных ядрах в области больших масс.
Группа ученых из Японии в своей работе, опубликованной недавно в журнале Physical Review Letters, предложила вариант доработки эмпирической модели оболочек, позволяющий расширить ее применимость на более широкий круг явлений. Они указали на то, что наблюдаемые отклонения могут быть скомпенсированы с помощью известной компоненты взаимодействия между свободными нуклонами, которая зависит от взаимной ориентации направлений их вращения. В случае если направления вращения взаимодействующих нуклонов параллельны друг другу, они притягиваются; при перпендикулярных направлениях – отталкиваются.
Существенным вкладом японских ученых в развитие модели стало доказательство того, что эта сила в масштабах ядра не компенсируется, а может иметь эффект на общий усредненный потенциал. Этот небольшой вклад зависит от параллельности (или не параллельности) вращения каждого отдельного нуклона его моменту вращения на определенной орбите. Вклад взаимодействия в усредненный потенциал является суммой вкладов от каждого отдельного нуклона на орбите. Он равен нулю для полностью заполненных орбит, что и объясняет хорошее соответствие действительности оболочечной модели «старого образца» для стабильных ядер. Эксперименты ученых уже показали, что учет дополнительной компоненты приводит к хорошему согласованию обновленной модели с практикой.
Ученые планируют продолжить исследования в данном направлении. Учтенное ими взаимодействие подразумевает не только уже рассчитанную компоненту, но также определенную зависимость энергетических состояний в ядре от ориентации орбит, которая должна проявляться в еще более специфических случаях.
