Есть ли веские научные доказательства того, что альфа-частица имеет тетраэдрическую форму?

Альфа-частица представляет собой квантово-механическую систему, и неясно, что мы могли бы иметь в виду, рисуя изображения бильярдных шаров, расположенных согласно классическим многогранникам. В частности, альфа-частицы имеют квантовые числа.$J^\pi=0^+$, поэтому он имеет полную сферическую симметрию. На картинке модели оболочки, которая дает простое представление о точной волновой функции четырех тел, альфа — это состояние, в котором все четыре частицы (нейтрон со спином вверх/вниз и протон со спином вверх/вниз) занимают та же 1s (сферически-симметричная) орбиталь. Это означает, что альфа должна быть нарисована в виде капли с размытыми протонами и нейтронами.

Волновая функция оболочечной модели не является точной, и существуют короткие корреляции, это означает, что если я обнаружу протон со спином вверх в начале координат, то вероятность найти поблизости нейтрон/протон со спином вверх будет немного выше/уменьшена, но эти корреляции ни в каком смысле не благоприятствуют тетраэдрическим конфигурациям.

Более крупные ядра (деформированные ядра, такие как плутоний) имеют (полу)классическую форму. Соответствующая квантово-механическая волновая функция представляет собой суперпозицию состояний с различной ориентацией ядра. Основное состояние по-прежнему изотропно, но возбужденные состояния соответствуют вращательным полосам. Есть также смысл, в котором ядра кластера альфа-частиц (такие как кислород и углерод) включают в себя большие компоненты волновой функции, которые благоприятствуют определенным геометрическим расположениям.

Постскриптум (экспериментальное свидетельство): Целые учебники (например, Бор и Моттельсон, Структура ядра) посвящены объяснению того, почему оболочечная модель дает точное представление о ядерных состояниях. Современные вариационные (и точные числовые) волновые функции можно найти в http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.70.743 .

Эмпирически самым простым свидетельством является спектр возбужденных состояний. Деформированное ядро ​​имеет низколежащие вращательные и колебательные состояния. Альфа-частица имеет большую щель (в соответствии с закрытой оболочкой), а низшее возбужденное состояние —$0^+$, что соответствует монопольной вибрации (см., например, рис. 3-2а в Bohr & Mottelson, том I).

Ответ Томаса на самом деле довольно хорош, и я проголосовал за него. Тем не менее, похоже, что это не всех удовлетворило, и есть некоторые аспекты, которые я считаю не совсем правильными или не фокусируются на совсем правильных вещах.

Есть ли веские научные доказательства того, что альфа-частица имеет тетраэдрическую форму?

Самый простой ответ на это состоит в том, что представление о тетраэдрической грозди винограда — это явно карикатура, вдохновленная классической интуицией, и было бы абсурдно воображать, что это точная модель реальной квантово-механической системы. . Обсуждать четырехгранную карикатуру в ее самом буквальном смысле не очень интересно, потому что это глупо. Что, по крайней мере, несколько интересно, в принципе, так это спросить, обладают ли корреляции между нейтронами и протонами какими-либо свойствами, напоминающими все виды корреляций, которые мы могли бы вообразить из четырехгранной карикатуры.

Обсуждение корреляций между нуклонами, похоже, вызвало много путаницы в длинной ветке комментариев под ответом Томаса, поэтому давайте обсудим более простой пример. Рассмотрим позитроний в его основном состоянии. Стандартная обработка учебника началась бы с записи волновой функции в разделимой форме как что-то вроде$\Psi(x_0)\Phi(x_1)$, куда$x_0$- вектор, указывающий положение центра масс, и$x_1$— положение позитрона относительно электрона (или относительно см). Корреляции описываются тем, что$\Phi$действительно сообщает нам волновую функцию обеих частиц, и эти корреляции идеальны из-за сохранения импульса. При желании мы можем полностью игнорировать$\Psi(x_0)$, или, если нам не все равно, мы можем позволить этому быть состоянием хорошего импульса.

Но для систем многих тел этот подход становится трудным, и классический метод атаки состоит в том, чтобы вместо этого записать потенциал одной частицы и заполнить его частицами, используя числа заполнения, которые подчиняются соответствующей статистике. Это гораздо удобнее для$N>2$частиц, но у него есть тот недостаток, что состояния, которые мы конструируем, не являются состояниями с хорошим импульсом. Если мы применим это к позитронию, то корреляции между электроном и позитроном как бы существуют, потому что они оба имеют тенденцию жить в одной и той же области пространства, но эти корреляции точно не описаны. Имеются ложные флуктуации полного импульса, нарушающие закон сохранения импульса.

Эмилио Писанти написал в комментарии:

Тем не менее, я недостаточно хорошо понимаю, как фреймы с фиксированным телом работают в QM.

Когда мы говорим о телесно-фиксированных системах отсчета в ядерной физике, это в основном способ говорить о корреляциях между нуклонами, но с использованием модели особым образом. Проведем аналогию с примером нарушенной трансляционной симметрии в случае позитрония.

В ядерной физике мы часто нарушаем сразу несколько хороших симметрий так же, как я описал выше для позитрония. Для деформированного редкоземельного ядра, например, мы, вероятно, использовали бы одночастичный потенциал с вытянутой эллипсоидальной формой, а также ввели бы спаривание, описываемое приближением Боголюбова. Результирующие волновые функции многих тел имеют нефизические флуктуации импульса.$\textbf{p}$, полный угловой момент$J$, число нейтронов$N$, и номер протона$Z$. Для ядра с массовым числом (т. е. числом частиц)$A$, относительные размеры этих флуктуаций уменьшаются с$A$, так что для многих тяжелых ядер, для многих наблюдаемых это в основном не создает проблем.

Основное состояние четно-четного ядра, такого как альфа-частица, сферически симметрично в лабораторной системе отсчета. Так и должно быть, потому что именно так работает угловой момент в квантовой механике. Четно-четное ядро ​​может деформироваться в системе, связанной с телом, что мы и описываем, например, в расчетах по модели деформированной оболочки. Таким образом, тот факт, что ядро ​​гелия имеет$0^+$основное состояние на самом деле ничего не говорит нам о том, имеет ли оно определенную деформированную форму, такую ​​как тетраэдр.

Поэтому, когда мы хотим сказать, деформируется ли конкретное ядро ​​в своем основном состоянии, мы не получаем эту информацию из его спина в основном состоянии. Мы получаем его из других наблюдаемых. Если четное ядро ​​представляет собой вытянутый эллипсоид (форма, которую имеют практически все стабильно деформированные ядра), существует полоса вращения, построенная на основном состоянии, со спиновой четностью, подобной$0^+$,$2^+$,$4^+$, ... Энергии идут как$J(J+1)$. Период полураспада гамма-распада в этой полосе на переходах E2 довольно короткий, что указывает на коллективное движение. Полуклассически эта полоса интерпретируется как сквозное вращение, поскольку квантовый ротор не может вращаться вокруг оси симметрии. Угловой момент может быть создан вокруг оси симметрии только за счет возбуждения частица-дырка, которые не проявляют ни одного из наблюдательных признаков, описанных выше.

Если бы гелий действительно имел форму тетраэдра, показанную в мультфильмах, то он имел бы некоторые из этих вращательных характеристик, но не все из них. У него наверняка были бы низкоэнергетические вращательные полосы, построенные на основном состоянии, но мы не наблюдаем никаких таких полос. У основного состояния не было бы четной симметрии в системе отсчета, связанной с телом, и если бы мы восприняли рисунки буквально, то оно также имело бы большой электрический дипольный момент. Этот дипольный момент исчезал бы в истинном основном состоянии (аналогично молекуле аммиака, которая является классическим примером, описанным, например, в лекциях Фейнмана). Однако будут состояния вращения с отрицательной четностью, чередующиеся с состояниями с положительной четностью, и будут сильные переходы E1 между этими состояниями с положительной и отрицательной четностью. Мы не ничего подобного не наблюдаю. Есть доказательства того, чтонесколько ядер действительно имеют асимметричную форму отражения, так что это не просто предположение. Свойства альфа-частицы совсем не похожи на свойства, которые мы ожидаем от отражательно-асимметричной формы.

Таким образом, есть очень прямое свидетельство наблюдений, что структура альфа-частицы совсем не похожа на карикатуру, даже в каком-то смутно полуклассическом смысле.

Есть также четкие теоретические причины, по которым мы не ожидаем такой структуры гелия. Это дважды магия, а дважды магические ядра никогда не имеют стабильной деформации в своем основном состоянии.