Ursprunglig fråga:
Vad är det som händer när en atomkärna är i ett exciterat tillstånd?

När elektroner befinner sig i ett exciterat tillstånd befinner sig de längre ut från kärnan. Men hur fungerar det när en kärna är i exciterat tillstånd, är nukleonerna längre ifrån varandra?
/Victor L, GTIs gymnasium, Göteborg

Svar:
En nuklid (kärna med en viss uppsättning neutroner/protoner ^Z+NZ) befinner sig i ett exciterat tillstånd om den har överskottsenergi jämfört med det lägsta tillståndet - grundtillståndet. Exciterade tillstånd sönderfaller normalt mycket snabbt till grundtillståndet genom gammasönderfall.

Även om man inte skall övertolka Bohr modellen (fråga 13733 ) så är det korrekt att för atomära tillstånd med högre huvudkvanttillstånd är avståndet till atomkärnan i medeltal större.

Det är två stora skillnader mellan elektroner i en atom och nukleoner i en atomkärna:

1 I fallet elektroner skapas potentialen som bestämmer rörelsen i huvudsak av atomkärnans laddning. I fallet nukleoner skapas potentialen av nukleonerna själva. Detta ger en besvärlig återkoppling mellan tillstånd och potential.

2 För elektronerna är det den välkända coulombkraften som är kraftverkan. För nukleoner är det en mycket komplex tillämpning av den starka kraften, se fråga 1720 . Framför allt finns det en mycket stark repulsiv komponent för små avstånd mellan nukleoner.

Nukleoner har en radie av storleksordningen 1 fm. Atomkärnor är inte mycket större, så nukleonerna är tätt packade, se nedanstående bild. Detta betyder att nukleonerna kolliderar hela tiden. Därför är det faktiskt ganska förvånande att en skalmodell för atomkärnor överhuvud taget fungerar (Nuclear_shell_model ). Nukleonerna borde kollidera hela tiden, och inte ge en skalstruktur.

Anledningen till att skalmodellen fungerar så bra som den gör är att nukleonerna är fermioner och måste lyda pauliprincipen (se fråga 18298 ), vilket betyder att många av de sluttillstånd som nukleonerna kan spridas till är blockerade - de innehåller redan en nukleon. Detta betyder av den fria medelväglängden för en nukleon i en kärna är mycket större än man skulle vänta sig.

De ständiga kollisionerna mellan nukleoner i kärnan medför även att vågfunktionen för kärnnivåer ofta är mycket komplicerad till skillnad från atomära tillstånd som oftast består av ett rent bastillstånd. Detta betyder att teoretiska beräkningar av kärnnivåer är mycket mer osäkra än för atomära nivåer. Detta betyder att man inte lika enkelt som för elektrontillstånd kan identifiera en viss nivå i kärnan med en viss konfiguration (en uppsättning nukleoner i givna tillstånd). Genom att studera kärnreaktioner och sönderfall kan man i många fall bestämma spinn och paritet för nivåer, och detta begränsar vilka konfigurationer som kan bidra till nivån.

Se även fråga 15482 .

Nyckelord: kärnfysik [2];

1 http://www.phy.ornl.gov/hribf/science/abc/excited-states.shtml
2 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/shell.html