Puisque le noyau atomique était le premier proposé en 1911les physiciens ont simplement supposé que c’était rond.
Mais les noyaux des atomes sont-ils vraiment ronds? Intuitivement, cette forme est logique et les physiciens ont cru qu’elle expliquait bien les mesures précoces des propriétés nucléaires. Ce n’est que des années plus tard que la première preuve d’une image plus complexe a commencé à émerger.
Tout d’abord, explorons l’architecture de l’atome. Formé à partir d’un groupe de protons et de neutrons au centre d’un atome, un noyau est 10 000 fois plus petit que l’atome dans son ensemble, « comme une mouche dans une cathédrale », a déclaré David Jenkinsun physicien nucléaire à l’Université de York au Royaume-Uni malgré la majeure partie de la masse d’un atome, le noyau lui-même a très peu d’impact sur les propriétés de l’atome à première vue. La chimie d’un atome est déterminée par la configuration d’électrons, tandis que toutes les caractéristiques physiques découlent de la façon dont il interagit avec d’autres atomes.
Parallèlement à l’idée des coquilles d’électrons en physique atomique, en 1949, les scientifiques ont proposé le modèle de coquille nucléaire: Les protons et les neutrons sont assis dans des coquilles nucléaires distinctes, et une entrée d’énergie supplémentaire peut exciter ces particules pour sauter de haut en bas entre les niveaux d’énergie fixe.
« Mais plus tard, il est devenu évident que la plupart des comportements dans les noyaux ont été décrits par ce que vous appelez le comportement collectif – il agit comme un objet cohérent », a déclaré Jenkins à Live Science. Le résultat est que le noyau dans son ensemble peut alors manifester deux types de propriétés: il peut tourner ou il peut vibrer.
Les méthodes spectroscopiques peuvent détecter cette rotation dans la plupart des molécules, mesurant une empreinte digitale de différents niveaux d’énergie de rotation. Mais les objets sphériques ont l’air de la même direction à la direction, donc des systèmes symétriques – comme atomes – Ne générez pas de spectre.
« La seule façon dont vous pouvez voir des preuves de rotation dans les noyaux est si le noyau est déformé », a expliqué Jenkins. « Et les gens ont vu que le noyau a des modèles d’excitation appelés bandes de rotation, de sorte que le noyau est déformé. »
Depuis cette découverte étonnante dans les années 1950, des expériences ciblées ont révélé une radeau de formes nucléaires, à partir de poires Pour M&M – et Round est une exception et non la règle. Environ 90% des noyaux ont la forme d’un football américain – techniquement appelé « déformé prolate » – dans leur état d’énergie le plus bas, avec étonnamment peu de personnes qui prennent la forme de sphère écrasée, de type M&M, appelée oblate déformée.
« Nous ne savons pas pourquoi cette forme prolate semble plus favorable que la forme oblat », a déclaré Jenkins. « Certains noyaux ont également plusieurs formes afin qu’ils puissent en présenter un à l’état fondamental, puis vous y mettez de l’énergie et ils se déforment en une autre forme. »
Le noyau plus exotique en forme de poire est limité à certaines zones du graphique nucléaire, en particulier autour du radium, tandis que les noyaux sphériques sont généralement confinés aux atomes avec des nombres « magiques » (ou des coquilles pleines) de particules nucléaires. Mais qu’est-ce qui cause la déformation?
« Il est intuitif que la forme de base d’un objet n’étant pas excité ou vacillante ou étirée doit être sphérique », a déclaré Paul Stevensonun physicien nucléaire à l’Université de Surrey au Royaume-Uni « mais en fait, dans le cas des noyaux, il est surprenant que l’un d’eux soit sphérique parce qu’ils obéissent aux lois de la mécanique quantique. »
Le Équation de Schrödinger – l’un des principes les plus fondamentaux de mécanique quantique – Prédit mathématiquement comment la fonction d’onde d’un objet changera avec le temps, fournissant essentiellement un moyen d’estimer le mouvement et la position possibles de cet objet. La résolution de cela pour un noyau atomique fournit donc un nuage de probabilité pour tous les endroits possibles qu’il pourrait être, qui, pris ensemble, donnent la forme nucléaire.
« Les solutions de base de l’équation de Schrödinger ne semblent pas sphériques – vous obtenez ces formes qui vont en cercle, mais ensuite elles commencent à agiter », a expliqué Stevenson. « Donc, parce que ces solutions quantiques-ondes d’onde ont elles-mêmes une asymétrie, cela rend les particules dans le noyau plus susceptibles de pointer dans une direction. »
Pour les noyaux sphériques rares, cette ondulation s’annule. Mais les scientifiques ne comprennent pas encore la raison – ou s’il y en a même un – pourquoi certaines de ces formes déformées sont beaucoup plus courantes que d’autres.
« Cela renverse un héritage », a déclaré Jenkins. « C’est un renversement complet de la façon dont les gens percevaient à l’origine les noyaux, et il y a encore beaucoup de questions ouvertes. »
