Modelo de capas nuclear

Física nuclear • Núcleo • Nucleones (p, n) • Materia nuclear • Fuerza nuclear • Estructura nuclear • Procesos nucleares

En física nuclear, física atómica y química nuclear, el modelo de capas nuclear utiliza el principio de exclusión de Pauli para modelar la estructura del núcleo atómico en términos de niveles de energía.^[1]​ El primer modelo de capa fue propuesto por Dmitri Ivanenko (junto con E. Gapon) en 1932. Pero no fue desarrollado hasta 1949 gracias al trabajo independiente de varios físicos, en particular de Maria Goeppert-Mayer y J. Hans D. Jensen, quienes recibieron el Premio Nobel de Física de 1963 por sus contribuciones a este modelo; y de Eugene Paul Wigner, que recibió el Premio Nobel junto con ellos por su trabajo previo sobre los núcleos atómicos.^[2]​

El modelo de capa nuclear es en parte análogo al modelo de las capas electrónicas, que describe la disposición de los electrones de un átomo, en el sentido de que una capa llena da como resultado una mejor estabilidad. Al agregar nucleones (protones y neutrones) a un núcleo, hay ciertos puntos donde la energía de unión del siguiente nucleón es significativamente menor que la del último. Esta observación de que hay números mágicos cuánticos específicos de nucleones que están más estrechamente unidos que el siguiente número superior, es el origen del modelo de capas:

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (sucesión A018226 en OEIS)

Las capas de protones y neutrones son independientes entre sí. Por lo tanto, pueden existir tanto "núcleos mágicos", en los que un tipo de nucleones u otros cuya cantidad aparece en un número mágico, como "núcleos cuánticos doblemente mágicos", en los que ambos tipos lo están. Debido a las variaciones en el llenado orbital, los números mágicos superiores son 126 y, especulativamente, 184 para los neutrones, pero solo 114 para los protones, lo que determina un factor clave en la configuración de las denominadas islas de estabilidad. Se han encontrado algunos números semimágicos, en particular Z = 40, que proporciona el relleno de la capa nuclear para los distintos elementos. El 16 también puede ser un número mágico.^[3]​

Para obtener estos números, el modelo de capa nuclear comienza con un potencial promedio con una forma entre un pozo cuadrado y un oscilador armónico. A este potencial se le suma un término de órbita de giro. Aun así, la perturbación total no coincide con los resultados experimentales, y hay que sumarle un acoplamiento empírico espín-órbita con al menos dos o tres valores diferentes de su constante de acoplamiento, dependiendo de los núcleos que se estudien.

Se puede llegar a los números mágicos de los núcleos, así como a otras propiedades, aproximando el modelo con un oscilador armónico tridimensional más una interacción espín-órbita. Un potencial más realista pero complicado se conoce como potencial de Woods-Saxon.

1. ↑ «Shell Model of Nucleus». HyperPhysics. 
2. ↑ Nobel Lectures, Physics 1963-1970. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Publishing Company. 1972. Consultado el 19 de mayo de 2023. 
3. ↑ Ozawa, A.; Kobayashi, T.; Suzuki, T.; Yoshida, K.; Tanihata, I. (2000). «New Magic Number, N=16, near the Neutron Drip Line». Physical Review Letters 84 (24): 5493-5. Bibcode:2000PhRvL..84.5493O. PMID 10990977. doi:10.1103/PhysRevLett.84.5493.  (esto se refiere a la línea de goteo nuclear)