Složité poměry v jádře lze pro vysvětlení určité oblasti jevů vhodným způsobem zjednodušit. Každému takovému zjednodušení odpovídá určitý model. Každý model vystihuje pouze určitou oblast vlastností jader. V další části článku jsou jednotlivé modely popsány v pořadí jejich vzniku.
Protonový model
Protonový model atomového jádra předpokládá, že jádro se skládá pouze z protonů. Počet protonů v jádře je možno určit z náboje jádra. Fyzikové nedokázali objasnit stabilitu jádra sestávajícího pouze z protonů, protože protony s kladným nábojem „natěsnané“ uvnitř jádra se musejí výrazně odpuzovat díky coulombovské síle. Závažný rozpor byl ovšem zjištěn v případě hmotnosti jádra. Na základě protonového modelu se předpokládalo, že hmotnost jádra by měla být alespoň přibližně rovna součtu klidových hmotností protonů v jádře. Z experimentu bylo ovšem zjištěno, že pro lehká jádra, počínaje heliem platí, že hmotnost jádra je přibližně rovna dvojnásobku hmotnosti protonů v jádře. Rozpor se snažili fyzikové objasnit návrhem proton–elektronového modelu jádra.
Protonový model jádra lithia 3Li.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Proton–elektronový model
Naměřenou dvojnásobnou hmotnost jader řešil tento model dvojnásobným počtem protonů oproti protonovému modelu, jejichž náboj je kompenzován záporně nabitými elektrony, které jsou umístěny v jádře. Tyto představy se zdály být potvrzeny i experimentem. U některých atomů byly pozorovány elektrony vyletující z jádra (vznik záření β) a tudíž se zdálo logické, že elektrony se skutečně mohou nacházet v jádře. Tyto „jaderné“ elektrony jsou některými jádry emitovány. Proton–elektronový model struktury jádra dává přibližně správné hodnoty hmotností zejména lehčích jader, přesto zůstává určitá nepřesnost ve srovnání s experimentem. Tento nesoulad teoretické a skutečné hmotnosti jádra je ještě více patrný v případě těžkých jader.
Proton-elektronový model jádra lithia 3Li.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Tomuto modelu neodpovídají ani naměřené hodnoty magnetického momentu, protože model dává příliš velké hodnoty. Jádro podle proton–elektronového modelu obsahuje elektrony. Hodnoty magnetických momentů elektronů představují násobky hodnot Bohrových magnetonů, které jsou řádově tisíckrát větší než hodnoty jaderných magnetonů, v jejichž násobcích se udává magnetický moment protonů, což je dáno skutečností, že hmotnost elektronu je řádově tisíckrát menší, než hmotnost protonu.
Heisenbergův–Ivaněnkův model
Nedostatky předchozích modelů by vyřešila až existence nové částice s hmotností podobnou jako proton, ale bez náboje. Tuto lákavou myšlenku vědci připouštěli už od roku 1920. Částice dokonce dostala jméno neutron – spojením latinského kořene a řecké koncovky. Jedinou vadou modelu bylo záření β, tedy proud elektronů vznikající v jádře. Do řešení problému se pustilo hned několik lidí – Irene a Frederic Joliot-Curie a Maruce de Broglie. Úspěch ale sklidil až James Chadwick, který o svém úspěchu informoval krátkou zprávou v časopise Nature z 27. února 1932. Chadwick ozařoval lehké kovy paprsky α a ty pak vyzařovaly záření s větší energií než záření γ. Toto nové záření bylo tvořeno hledanými částicemi – neutrony. Jejich hledání bylo tak obtížné, protože se jejich účinky neprojevují v ionizační komoře, v čítači ani ve Wilsonově mlžné komoře. O tři roky později byl James Chadwick za objev neutronu odměněn Nobelovou cenou za fyziku.
Na základě objevu neutronu vznikl další model atomového jádra, tzv. Heisenbergův–Ivaněnkův model. Podle tohoto modelu se atomové jádro skládá ze dvou typů částic: protonů a neutronů. Protony a neutrony jsou v jádrech drženy novým typem sil – tzv. jadernými silami. Vazebná energie jádra, která je důsledkem těchto sil, způsobuje pozorovatelný hmotnostní úbytek. Typ jádra je jednoznačně určen počtem protonů a počtem neutronů. Protony a neutrony se označují společným názvem nukleony.
Heisenbergův-Ivaněnkův model jádra lithia 3Li.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Kapkový model
V roce 1937 Niels Bohr sestavil kapkový model jádra, který vycházel z představy, že jádro tvaru koule je nestlačitelná kapalina obsahující protony a neutrony. Nukleony si představil jako koule o stejném poloměru, které jsou v jádře – kapce uspořádány do co nejmenšího objemu. Bohr a Yakov Frenkel úspěšně použili kapkového modelu k teorii štěpení těžkých jader. Po pohlcení neutronu se jádro–kapka silně excituje, začne se různě deformovat a následkem těchto deformací může dojít k jeho rozštěpení na dvě anebo více lehčích jader. I když pomocí tohoto modelu lze vypočítat základní charakteristiky jader (hmotnost, vazební energie, stabilita), přesto se jedná o velmi hrubou aproximaci skutečných poměrů v jádře.
Kapkový model.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Slupkový model
Podobně jako jsou elektrony uspořádány v obalu atomu v jednotlivých hladinách, předpokládá slupkový model stejné uspořádání protonů a neutronů v jádře. Protony a neutrony jsou samostatně uspořádány do slupek. Při zaplnění těchto slupek vznikají vysoce stabilní atomová jádra. Zaplňovací čísla protonových a neutronových slupek jsou jiná než u elektronů. Na základě experimentů vychází, že protonové a neutronové slupky se úplně zaplňují při počtu 2, 8, 20, 50, 82, 126. Tato čísla se nazývají magická. Jádra s magickým počtem protonů, resp. neutronů vynikají vysokou stabilitou. S existencí magických čísel velmi úzce souvisí velké rozdíly ve vazbové energii posledního nukleonu celé řady jader. Protože třetí, devátý,... proton, resp. neutron začíná obsazovat novou slupku, je jeho vazbová energie poměrně malá.
Ve slupkovém modelu se předpokládá, že nukleony se pohybují v daném sféricky symetrickém poli navzájem nezávisle. Skutečným poměrům v jádře lépe odpovídá dynamický kompromis mezi kapkovým modelem a modelem nezávislých částic.
Zobecněný model atomového jádra
Slupkový model selhává v případě jaderných reakcí, protože při nich dochází k excitaci jádra jako celku (kolektivní excitace). Nedostatky slupkového modelu a kapkového modelu atomového jádra odstraňuje zobecněný model atomového jádra, který rozpracovali Aage Bohr a Ben Mottelson a jehož základem je spojení výhod obou modelů.
V rámci tohoto modelu je jádro popisováno jako systém skládající se ze dvou podsystémů nukleonů. Jsou to kolektivní podsystém a jednočásticový podsystém. Kolektivní podsystém zahrnuje nukleony, jejichž počet odpovídá magickému číslu, které je nižší než příslušný počet nukleonů daného jádra a je mu nejblíže. Tento podsystém se popisuje jako kapka kvantové kapaliny. Jednočásticový podsystém je tvořen zbývajícími nukleony v jádře. Tyto nukleony se popisují analogicky jako ve slupkovém modelu. Kapka kvantové kapaliny může vibrovat a rotovat pouze v dovolených kvantových stavech (tzn. je zahrnut kvantový popis).
