Alfapartikeln är ett kvantmekaniskt system, och det är inte klart vad vi kan mena med att rita bilder av biljardbollar ordnade enligt klassisk polyhedra. I synnerhet har alfa kvantnummer $ J ^ \ pi = 0 ^ + $ , så det har fullständig sfärisk symmetri. I en skalmodellbild, som ger en enkel guide till den exakta 4-kroppsvågfunktionen, är alfa ett tillstånd där alla fyra partiklarna (en neutron med snurr upp / ner och en proton med snurr upp / ner) upptar samma 1s (sfäriskt symmetrisk) orbital. Detta innebär att alfa ska dras som en blob, med utsmetade protoner och neutroner.

Skalmodellens vågfunktion är inte exakt, och det finns korrelationer med kort räckvidd, det vill säga om jag upptäcker ett snurrande proton vid ursprunget, så finns det en något förbättrad / minskad sannolikhet för att hitta en snurrande neutron / proton i närheten , men dessa korrelationer gynnar inte på något sätt tetraedriska konfigurationer.

Större kärnor (deformerade kärnor, som plutonium) har (semi) klassiska former. Motsvarande kvantmekaniska vågfunktion är en superposition av tillstånd med olika orienteringar av kärnan. Marktillståndet är fortfarande isotropiskt, men upphetsade tillstånd motsvarar rotationsband. Det finns också en mening där alfapartikelklusterkärnor (som syre och kol) involverar stora vågfunktionskomponenter som gynnar vissa geometriska arrangemang.

Efterskrift (experimentell bevis): Hela läroböcker (till exempel Bohr och Mottelson, kärnkraftsstruktur) ägnas åt att förklara varför skalmodellen ger en korrekt guide till kärnkraftsstater. Moderna variationer (och exakta numeriska) vågfunktioner finns i http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.70.743.

Empiriskt är det enklaste beviset spektrumet av upphetsade tillstånd.En deformerad kärna har lågt liggande rotations- och vibrationstillstånd.Alfapartikeln har ett stort gap (överensstämmer med ett stängt skal) och det lägsta upphetsade tillståndet är $ 0 ^ + $ , överensstämmer med en monopolvibration (se till exempel, Fig. 3-2a i Bohr & Mottelson, vol I).

Thomas svar är faktiskt ganska trevligt, och jag röstade upp det. Det verkar dock inte ha nöjt alla, och det finns vissa aspekter av det som jag tycker inte är helt rätt eller inte fokuserar på rätt saker.

Finns det några hårda vetenskapliga bevis för att alfapartikeln är tetrahedral?

Det enklaste svaret på detta är att uppfattningen om ett tetrahedralt druvkluster är uppenbarligen en tecknad film inspirerad av klassisk intuition, och det skulle vara absurt i ansiktet att föreställa sig att det var en exakt modell av den faktiska kvantiteten. -mekaniskt system. Det är inte riktigt intressant att diskutera den tetraedriska tecknade filmen i dess mest bokstavliga bemärkelse, för den är dum. Det som i princip är något intressant är i princip att fråga om korrelationerna mellan neutronerna och protonerna har några egenskaper som liknar alla slags korrelationer som vi skulle kunna föreställa oss från den tetraedriska tecknade filmen.

Diskussionen om korrelationer mellan nukleoner verkar ha orsakat mycket förvirring i den långa kommentartråden under Thomas svar, så låt oss diskutera ett enklare exempel. Tänk på positronium i sitt marktillstånd. En vanlig lärobokbehandling skulle börja med att skriva ner vågfunktionen i separerbar form som något som $ \ Psi (x_0) \ Phi (x_1) $ , där $ x_0 $ är vektorn som indikerar masscentrumets position och $ x_1 $ är positionen för positronen i förhållande till elektronen (eller relativt cm). Korrelationerna beskrivs av det faktum att $ \ Phi $ verkligen berättar om vågfunktionen hos båda partiklarna, och dessa korrelationer är perfekta på grund av bevarande av momentum. Om vi ​​vill kan vi helt ignorera $ \ Psi (x_0) $ , eller om vi bryr oss kan vi låta det vara ett tillstånd av god fart.

Men för system med många kroppar blir detta tillvägagångssätt svårt, och den klassiska attackmetoden är att istället skriva ner en enda partikelpotential och fylla den med partiklar med hjälp av ockupationsnummer som följer relevant statistik. Detta är mycket mer smidigt för $ N>2 $ -partiklar, men det har nackdelen att de tillstånd vi konstruerar inte är tillstånd med god fart. Om vi ​​tillämpar det på positronium, så är korrelationerna mellan elektronen och positronen där, för de båda tenderar att leva i samma rymdregion, men dessa korrelationer beskrivs inte exakt. Det finns falska fluktuationer i det totala momentet, vilket bryter mot bevarandet av momentum.

Emilio Pisanty skrev i en kommentar:

Jag har dock inte tillräckligt stark förståelse för hur kroppsfixade ramar fungerar i QM

När vi pratar om kroppsfasta ramar inom kärnfysik är det i grunden ett sätt att prata om korrelationer mellan nukleoner, men att använda en modell på ett specifikt sätt. Låt oss göra en analogi med exemplet med trasig translationell symmetri i fallet med positronium.

Inom kärnfysik bryter vi ofta flera bra symmetrier samtidigt på samma sätt som jag beskrev ovan för positronium. För en deformerad sällsynt jordkärna, till exempel, skulle vi förmodligen använda en en-partikelpotential med en prolat ellipsoidform, och vi skulle också introducera parning som beskrivs av Bogoliubov-approximationen. De resulterande vågfunktionerna med många kroppar har opysiska fluktuationer i momentum $ \ textbf {p} $ , total vinkelmoment $ J $ , neutronnummer $ N $ , och proton nummer $ Z $ . För en kärna med massnummer (dvs. partikelnummer) $ A $ , minskar de relativa storleken på dessa fluktuationer med $ A $ , så för många tunga kärnor, för många observerbara, ger detta i princip inga problem.

Marktillståndet för en jämn kärna, såsom en alfapartikel, är sfäriskt symmetrisk i labramen. Det måste vara, för det är så vinkelmoment fungerar i kvantmekanik. En jämn kärna kan deformeras i den kroppsfasta ramen, vilket vi exempelvis beskriver i beräkningar med den deformerade skalmodellen. Så det faktum att heliumkärnan har en $ 0 ^ + $ marktillstånd berättar verkligen ingenting om huruvida den har en speciell deformerad form som en tetraeder.

Så när vi vill berätta om en viss kärna är deformerad i sitt jordtillstånd, får vi inte den informationen från dess jordtillståndssnurr.Vi får det från andra observerbara.Om en jämn kärna är en prolatellipsoid (som är den form som i princip alla stabilt deformerade kärnor har), finns det ett rotationsband byggt på marktillståndet, med snurrparitet som $ 0 ^ + $ , $ 2 ^ + $ , $ 4 ^ + $ , ...Energierna går som $ J (J + 1) $ .Halveringstiden för gamma nedbryter detta band genom E2-övergångar är ganska kort, vilket indikerar kollektiv rörelse.Semiklassiskt tolkas detta band som rotering från slut till slut, eftersom en kvantrotor inte kan rotera kring en symmetriaxel.Vinkelmoment kan endast genereras kring symmetriaxeln genom partikelhåls excitationer, som inte visar några av de observationsmärken som beskrivs ovan.

Om helium verkligen konfigurerades i den typ av tetraedrisk konfiguration som visas i tecknade filmer, skulle det ha några av dessa rotationsegenskaper, men inte alla. Det skulle verkligen ha lågenergi-rotationsband byggda på marktillståndet, men vi observerar inga sådana band. Marktillståndet skulle sakna paritetssymmetri i den kroppsfasta ramen, och om vi skulle ta karikatyrerna helt bokstavligt, skulle det också ha ett stort elektriskt dipolmoment. Detta dipolmoment skulle försvinna i det verkliga marktillståndet (liknar ammoniakmolekylen, vilket är ett klassiskt exempel som beskrivs t.ex. i Feynman-föreläsningarna). Emellertid skulle det finnas negativa paritetsrotationstillstånd sammanflätade med positiva paritetstillstånden, och det skulle finnas starka E1-övergångar mellan dessa positiva och negativa paritetstillstånd. Vi observerar inget liknande. Det finns bevis för att några kärnor har reflektions-asymmetriska former, så detta är inte bara spekulativt. Alfapartikelns egenskaper ser inte ut som de egenskaper vi förväntar oss för den reflektions-asymmetriska formen.

Så det finns mycket direkta observationsbevis för att alfapartikelns struktur inte liknar tecknad film, inte ens på något vagt halvklassiskt sätt.

Det finns också tydliga teoretiska skäl till varför vi inte skulle förvänta oss en sådan struktur för helium. Det är dubbelt magiskt, och dubbelt så magiska kärnor har aldrig någon stabil deformation i sitt marktillstånd.