Nuclear Science
STKC 2554

โมเดลโครงสร้างของนิวเคลียส

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

โมเดลนิวเคลียส (nuclear model) ในสมัยแรก ๆ ได้แก่ โมเดลคลัสเตอร์ (cluster model) โมเดลหยดน้ำ (liquid drop model) โมเดลชั้น (shell model) และโมเดลแลตทิซ (lattice model) แต่ปัจจุบันได้มีพัฒนาการมาเรื่อย ๆ จนถึงแบบที่ 7 ซึ่งสรุปได้ดังต่อไปนี้
1.
โมเดลคลัสเตอร์ หรือ โมเดลแบบกลุ่ม (cluster model) เป็นโมเดลโครงสร้างของนิวเคลียสแบบแรกสุด ได้รับการพัฒนาขึ้นมาก็เพราะว่า สำหรับนิวเคลียสขนาดเบา พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) จะสูงสุด เมื่อมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนมากเพียงพอรวมกันให้ อนุภาคแอลฟา (เป็นก้อนอนุภาค ประกอบขึ้นจากโปรตอน 2 อนุภาคและนิวตรอน 2 อนุภาค) เป็น จำนวนเต็ม พึงสังเกตว่า นิวเคลียส หนักสลายกัมมันตรังสี (decay )โดยการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟามากกว่าที่จะปลดปล่อยอนุภาค โปรตอนหรือนิวตรอน อย่างไรก็ดี โมเดลนี้มีปัญหากับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอน มาก ๆ ได้ โดยไม่สามารถอธิบายความผิดปกตินี้ ทำให้โมเดลนี้ตกไป
2.
โมเดลหยดน้ำ (liquid drop model) โมเดลนี้ตั้งขึ้นบนพื้นฐานของ แรงนิวเคลียร์ชนิดเข้ม (strong nuclear force) ด้วยสมมติฐานที่ว่า แรงชนิดเข้มนี้ดึงดูดอนุภาคในนิวเคลียสทุกชนิดเข้าไว้ด้วยกันโดย ไม่เลือกหน้า เหมือนกับที่โมเลกุลน้ำทุกโมเลกุลดึงดูดกันเป็นหยดน้ำ ธรรมชาติของแรงชนิดเข้มนั้น ยังไม่พบว่าจะทำให้โครงสร้างนิวเคลียสแตกต่างไปจากที่เกิดขึ้นภายในหยดน้ำ โมเดลหยดน้ำ จึงอธิบายความหนาแน่นของนิวเคลียส และอธิบายการเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสหรือฟิชชันได้ บางกรณี ยกเว้นกรณีที่นิวเคลียสแบ่งแยกอย่างอสมมาตร (asymmetry) และโมเดลนี้ก็ไม่สามารถ อธิบายได้ ว่าทำไมจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสไม่เท่ากัน
3.
โมเดลชั้น (shell model) พัฒนาขึ้นมาสำหรับอธิบายความแตกต่างของระดับพลังงานสำหรับนิวเคลียส และเพื่อ อธิบายจำนวนนิวคลีออน (อนุภาคภายในนิวเคลียสได้แก่โปรตอนและ/หรือนิวตรอน) ที่เรียกว่า แมจิกนัมเบอร์ (magic number) โมเดลนี้เป็นที่นิยมมากเพราะว่าเลียนแบบโครงสร้างชั้นอิเล็กตรอนของอะตอม แต่โมเดลนี้ก็มีข้อน่ากังขา ที่เด่นชัดถึง 5 ประการ คือ ประการแรก ในนิวเคลียสไม่มีแรงศูนย์กลางสำหรับชั้นให้นิวคลีออนโคจร รอบ ๆ แบบเดียวกับ ชั้นอิเล็กตรอนรอบประจุบวกของนิวเคลียส ประการที่ 2 นิวเคลียสเล็กเกินกว่าอนุภาคในนั้น จะขยับไปไหนมาไหนได้ไกล ๆ (too short mean free path)จนสามารถก่อตั้วเป็นชั้น ๆ ได้ ประการที่ 3 ทำไมโปรตอนกับนิวตรอน จึงมีบ่อศักย์ (potential wells) ที่แตกต่างกัน ประการที่ 4 โมเดลชั้นอธิบายฟิชชันไม่ได้และยิ่งอธิบาย ไม่ได้เลยกรณีการแบ่งแยกนิวเคลียสอสมมาตร ประการที่ 5 ด้านเสถียรภาพของนิวเคลียส สำหรับอะตอมที่โตกว่ายูเรเนียม โมเดลนี้อธิบาย ไม่ได้เลย
4.
โมเดลผสม (combination model) เป็นการผสมกันของโมเดลหยดน้ำกับโมเดลชั้น ซึ่งก็ยังมีข้อบกพร่องอยู่อีก หลายประการ ที่เด่นชัดคือยังคงอธิบายปัญหา mean free path ที่สั้นมาก ยังไม่ได้ รวมทั้งปัญหาการแบ่งแยก นิวเคลียสอสมมาตร
5.
โมเดลแลตทิซ (lattice model) พัฒนาขึ้นมาเพื่อประนีประนอมและประสานจุดแข็งของโมเดลหยดน้ำกับ โมเดลชั้น กล่าวคือ ความหนาแน่นของของนิวเคลียสของแลตทิซก็คล้ายกับหยดน้ำ ซึ่งเป็น ความหนาแน่นของนิวเคลียสที่วัดได้ ส่วนระดับพลังงานที่แตกต่างซึ่งแทนด้วยชั้นพลังงานต่าง ๆ ก็สามารถเทียบได้กับ การสับเปลี่ยนที่ (slight permutation) เพอร์เทอร์เบชัน (perturbations) ความแปรผัน (variation) หรือ ความผิดปกติ (anomaly) เล็ก ๆ น้อย ๆ ของโครงสร้างแลตทิซ
6.
โมเดลควาร์ก (Quark Model) โมเดลนี้ในตอนต้น ๆ เดิมพยายามจะสร้างนิวเคลียสบนฐานของควาร์กกับ แรงชนิดเข้มแบบคัลเลอร์โดด ๆ และพยายามอธิบายนิวเคลียสโดยไม่ใส่ใจ กับผลของโปรตอนและนิวตรอนเอง ไม่มีโมเดลบนพื้นฐานของควาร์กใด ๆ ที่อยู่รอด ทั้งนี้เพราะโมเดลเหล่านี้ให้ความสำคัญเฉพาะกับแรงชนิดเข้ม
7.
โมเดลควาร์กแลตทิซ (quark lattice model) เป็นโมเดลผสมล่าสุด โดยเป็นโมเดลลูกผสมระหว่างโมเดล แลตทิซกับโมเดลควาร์ก ซึ่งน่าจะซับซ้อนมาก แต่อันที่จริงธรรมดามากกว่าทุกโมเดล จะเว้นก็แต่โมเดลหยดน้ำ กล่าวคือ นิวเคลียสประกอบขึ้นจากนิคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ที่แต่ละนิวคลีออนมี ควาร์ก 3 อนุภาคเป็นองค์ประกอบ แต่ว่าควาร์กมีทั้งประจุไฟฟ้า (electric charge) และ ไดโพลแม่เหล็ก (magnetic dipole) เพียงแต่เมื่อโมเดลนี้มองว่าโปรตอนและนิวตรอนมี ควาร์ก 3 อนุภาครวมกันเป็นรูปสามเหลี่ยม ไม่ใช่ทรงกลม การจัดเรียงโปรตอนและนิวตรอน ในนิวเคลียสจึงวางเรียงและซ้อนอนุภาค 2 ชนิดนี้เป็นโครงสร้างแลตทิซ โดยต้องให้ ประจุไฟฟ้าและไดโพลแม่เหล็กดึงดูดกันไว้

โครงสร้างตามโมเดลควาร์กแลตทิซของอนุภาคแอลฟา

จาก : เว็บไซต์ Unclear2Nuclear
โดย : Jerry Montgomery, Ph.D. และ Rondo Jeffery, Ph.D.
http://www.unclear2nuclear.com/currentmodels.php

โพสต์เมื่อ : 23 กุมภาพันธ์ 2554