A partícula alfa é um sistema mecânico quântico, e não está claro o que queremos dizer com desenhos de bolas de bilhar organizadas de acordo com poliedros clássicos. Em particular, o alfa tem números quânticos $ J ^ \ pi = 0 ^ + $ , portanto, tem simetria esférica completa. Em uma imagem de modelo de casca, que fornece um guia simples para a função de onda exata de 4 corpos, o alfa é um estado em que todas as quatro partículas (um nêutron com spin para cima / para baixo e um próton com spin para cima / baixo) ocupam o mesmo orbital 1s (esfericamente simétrico). Isso implica que o alfa deve ser desenhado como uma bolha, com prótons e nêutrons espalhados.

A função de onda do modelo de casca não é exata e há correlações de curto alcance, o que significa que se eu detectar um próton de spin up na origem, haverá uma probabilidade ligeiramente aumentada / reduzida de encontrar um nêutron / próton de spin nas proximidades , mas essas correlações não favorecem em nenhum sentido as configurações tetraédricas.

Os núcleos maiores (núcleos deformados, como o plutônio) têm formas (semi) clássicas. A função de onda da mecânica quântica correspondente é uma superposição de estados com diferentes orientações do núcleo. O estado fundamental ainda é isotrópico, mas os estados excitados correspondem a bandas rotacionais. Também há um sentido em que os núcleos do aglomerado de partículas alfa (como oxigênio e carbono) envolvem grandes componentes de função de onda que favorecem certos arranjos geométricos.

Pós-escrito (evidência experimental): livros inteiros (por exemplo, Bohr e Mottelson, Estrutura nuclear) são dedicados a explicar por que o modelo de casca fornece um guia preciso para estados nucleares. As funções de onda variacionais (e numéricas exatas) modernas podem ser encontradas em http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.70.743.

Empiricamente, a evidência mais simples é o espectro de estados excitados.Um núcleo deformado tem estados rotacionais e vibracionais baixos.A partícula alfa tem uma grande lacuna (consistente com uma casca fechada), e o estado de excitação mais baixo é $ 0 ^ + $ , consistente com uma vibração monopolo (ver, por exemplo, Fig. 3-2a em Bohr & Mottelson, vol I).

A resposta de Thomas é realmente muito boa e eu votei positivamente. No entanto, não parece ter satisfeito a todos, e há alguns aspectos que acho que não estão muito certos ou não se concentram nas coisas certas.

Existe alguma evidência científica sólida de que a partícula alfa é tetraédrica?

A resposta mais direta a isso é que a noção de um cacho tetraédrico de uvas é claramente um desenho animado inspirado pela intuição clássica, e seria absurdo imaginar que fosse um modelo preciso do quantum real -sistema mecânico. Não é realmente interessante discutir o desenho animado tetraédrico em seu sentido mais literal, porque é bobo. O que é pelo menos um tanto interessante, em princípio, é perguntar se as correlações entre os nêutrons e prótons têm quaisquer propriedades que se assemelhem a todos os tipos de correlações que imaginaríamos do desenho animado tetraédrico.

A discussão de correlações entre núcleons parece ter causado muita confusão no longo tópico de comentários sob a resposta de Thomas, então vamos discutir um exemplo mais direto. Considere o positrônio em seu estado fundamental. Um tratamento padrão de livro didático começaria escrevendo a função de onda em uma forma separável como algo como $ \ Psi (x_0) \ Phi (x_1) $ , onde $ x_0 $ é o vetor que indica a posição do centro de massa, e $ x_1 $ é a posição do pósitron em relação a o elétron (ou em relação ao cm). As correlações são descritas pelo fato de que $ \ Phi $ realmente nos diz a função de onda de ambas as partículas, e essas correlações são perfeitas devido à conservação do momento. Se desejarmos, podemos ignorar completamente $ \ Psi (x_0) $ ou, se nos importarmos, podemos deixar que seja um estado de bom momento.

Mas para sistemas de muitos corpos, essa abordagem se torna difícil, e o método clássico de ataque é, em vez disso, anotar o potencial de uma única partícula e preenchê-lo com partículas, usando números de ocupação que obedecem às estatísticas relevantes. Isso é muito mais tratável para partículas $ N>2 $ , mas tem a desvantagem de que os estados que construímos não são estados de bom momento. Se o aplicarmos ao positrônio, então as correlações entre o elétron e o pósitron estão mais ou menos lá, porque ambos tendem a viver na mesma região do espaço, mas essas correlações não são descritas exatamente. Existem flutuações espúrias no momento total, o que viola a conservação do momento.

Emilio Pisanty escreveu em um comentário:

No entanto, não tenho uma compreensão forte de como as armações fixas ao corpo funcionam no QM

Quando falamos sobre quadros fixos no corpo na física nuclear, é basicamente uma maneira de falar sobre correlações entre núcleons, mas usando um modelo de uma maneira específica. Vamos fazer uma analogia com o exemplo da simetria translacional quebrada no caso do positrônio.

Na física nuclear, muitas vezes violamos várias simetrias boas ao mesmo tempo, da mesma forma que descrevi acima para o positrônio. Para um núcleo de terra rara deformado, por exemplo, provavelmente usaríamos um potencial de partícula única com uma forma elipsoidal prolata e também introduziríamos o emparelhamento conforme descrito pela aproximação de Bogoliubov. As funções de onda de muitos corpos resultantes têm flutuações não físicas no momento $ \ textbf {p} $ , momento angular total $ J $ , número de nêutrons $ N $ e número de prótons $ Z $ . Para um núcleo com número de massa (ou seja, número de partícula) $ A $ , os tamanhos relativos dessas flutuações diminuem com $ A $ , portanto, para muitos núcleos pesados, para muitos observáveis, isso basicamente não produz problemas.

O estado fundamental de um núcleo uniforme, como uma partícula alfa, é esfericamente simétrico na estrutura do laboratório. Tem que ser, porque é assim que o momento angular funciona na mecânica quântica. Um núcleo par-par pode ser deformado no quadro de corpo fixo, que é o que descrevemos, por exemplo, em cálculos usando o modelo de casca deformada. Portanto, o fato de o núcleo de hélio ter um $ 0 ^ + $ estado fundamental realmente não nos diz nada sobre se ele tem uma forma particular deformada, como um tetraedro.

Então, quando queremos saber se um determinado núcleo está deformado em seu estado fundamental, não obtemos essa informação de seu spin no estado fundamental.Nós o obtemos de outros observáveis.Se um núcleo par é um elipsóide prolato (que é a forma que essencialmente todos os núcleos deformados de forma estável têm), há uma banda de rotação construída no estado fundamental, com paridade de spin semelhante a $ 0 ^ + $ , $ 2 ^ + $ , $ 4 ^ + $ , ...As energias são como $ J (J + 1) $ .A meia-vida para o decaimento gama abaixo desta banda pelas transições E2 é bastante curta, indicando movimento coletivo.Semi-classicamente, esta banda é interpretada como rotação ponta a ponta, uma vez que um rotor quântico não pode girar em torno de um eixo de simetria.O momento angular pode ser gerado em torno do eixo de simetria apenas por excitações de buraco de partícula, que não exibem nenhuma das marcas observacionais descritas acima.

Se o hélio fosse realmente configurado no tipo de configuração tetraédrica mostrado nos desenhos animados, então ele teria algumas dessas características rotacionais, mas não todas. Certamente teria bandas rotacionais de baixa energia construídas no estado fundamental, mas não observamos nenhuma dessas bandas. O estado fundamental não teria simetria de paridade no enquadramento fixo do corpo e, se tomássemos os desenhos animados totalmente ao pé da letra, então haveria também um grande momento de dipolo elétrico. Este momento de dipolo desapareceria no verdadeiro estado fundamental (semelhante à molécula de amônia, que é um exemplo clássico descrito, por exemplo, nas palestras de Feynman). No entanto, haveria estados de rotação de paridade negativa entrelaçados com os estados de paridade positiva e haveria fortes transições E1 entre esses estados de paridade positiva e negativa. Não observamos nada assim. Há evidências de que alguns núcleos têm formas assimétricas de reflexão, então isso não é apenas especulativo. As propriedades da partícula alfa não se parecem em nada com as propriedades que esperaríamos para a forma assimétrica de reflexão.

Portanto, há evidências observacionais muito diretas de que a estrutura da partícula alfa não é nada parecida com o desenho animado, nem mesmo de uma forma vagamente semiclássica.

Existem também razões teóricas claras pelas quais não esperaríamos tal estrutura para o hélio. É duplamente mágico, e os núcleos duplamente mágicos nunca apresentam deformação estável em seu estado fundamental.