از زمان معرفی مفهوم هسته اتم در سال 1290 هجری شمسی، فیزیکدانان بهطور پیشفرض تصور میکردند که هستهها گرد هستند. در نگاه اول، این فرضیه منطقی به نظر میرسید و با اندازهگیریهای اولیه از ویژگیهای هستهای نیز مطابقت داشت. اما سالها بعد، شواهدی ظاهر شد که نشان میداد ماجرا پیچیدهتر از آن چیزی است که گمان میرفت.
بیایید ابتدا معماری اتم را بررسی کنیم. هستهی اتم که متشکل از پروتونها و نوترونهاست، در مرکز اتم قرار دارد و حدود دههزار بار کوچکتر از کل اتم است؛ بهطوریکه «مثل یک مگس در وسط یک کلیسا» توصیف شده است (به گفتهی دیوید جنکینز، فیزیکدان هستهای از دانشگاه یورک در بریتانیا). با اینکه هسته تقریباً تمام جرم اتم را در خود دارد، در ظاهر تأثیر زیادی بر ویژگیهای شیمیایی اتم ندارد. خواص شیمیایی اتم عمدتاً توسط الکترونها تعیین میشوند و ویژگیهای فیزیکی آن به چگونگی برهمکنش با دیگر اتمها بستگی دارد.
در سال 1328 هجری شمسی، مشابه مدل پوستهای برای الکترونها، مدل پوستهای برای هسته نیز پیشنهاد شد؛ در این مدل، پروتونها و نوترونها در لایههایی مشخص جای میگیرند و با دریافت انرژی میتوانند بین این سطوح انرژی جهش کنند.
اما بعدها مشخص شد که بیشتر رفتارهای هستهای با آنچه «رفتار جمعی» نامیده میشود توصیف میشوند؛ یعنی هسته مانند یک جسم واحد عمل میکند. در نتیجه، کل هسته میتواند بچرخد یا نوسان کند.
این چرخشها با روشهای طیفسنجی در بسیاری از مولکولها قابل شناساییاند، زیرا چرخش باعث ایجاد طیفهای انرژی مشخص میشود. اما اجسام کروی، از هر زاویهای که به آنها نگاه کنیم، یکسان به نظر میرسند و طیفی ایجاد نمیکنند.
جنکینز میگوید: «تنها زمانی میتوان شواهدی از چرخش در هستهها دید که شکل آنها از حالت کروی خارج شده باشد.»
در دهه 1329 هجری شمسی، دانشمندان الگوهایی از تحریکات در هستهها یافتند که به «باندهای چرخشی» معروفاند و همین کشف نشان داد که بسیاری از هستهها شکل متقارن ندارند.
از آن زمان تاکنون، آزمایشهای دقیق، اشکال متنوعی برای هستهها کشف کردهاند؛ از شکل گلابی گرفته تا آبنبات M&M. در واقع، شکل کروی بیشتر یک استثنا است تا قاعده. حدود ۹۰٪ از هستهها در حالت پایهی انرژی خود شکلی کشیده شبیه توپ آمریکایی فوتبال دارند که به آن «شکل کشیده یا پرولیت» میگویند. تنها درصد اندکی از هستهها شکل تخت و فشرده دارند (شکل اُبلِیت)، شبیه M&M.
جنکینز میگوید: «ما هنوز نمیدانیم چرا شکل کشیده پرولیت رایجتر از شکل اُبلِیت است. برخی هستهها حتی میتوانند در حالت پایه یک شکل داشته باشند و با وارد شدن انرژی به شکل دیگری تغییر یابند.»
هستههای گلابیشکل کمیابترند و معمولاً در اطراف رادیوم یافت میشوند. در مقابل، هستههای کروی معمولاً در اتمهایی دیده میشوند که تعداد «سحرآمیز»ی از ذرات هستهای دارند (یعنی لایههای پر دارند). اما چه چیزی باعث این تغییر شکل میشود؟
پل استیونسون، فیزیکدان هستهای از دانشگاه سوری بریتانیا، میگوید: «شاید در نگاه اول تصور کنیم اگر یک جسم تحریک یا کشیده نشود، باید شکل کروی داشته باشد. اما در مورد هستههای اتمی، شگفتآور است که اصلاً برخی از آنها کروی هستند؛ چون آنها از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی میکنند.»
معادله شرودینگر، که یکی از اصول بنیادی مکانیک کوانتومی است، پیشبینی میکند که تابع موج یک جسم چگونه در طول زمان تغییر میکند و به ما امکان میدهد حرکت و جایگاه احتمالی آن جسم را بسنجیم. اگر این معادله را برای یک هسته حل کنیم، به ابری از احتمالات میرسیم که از ترکیب آنها شکل کلی هسته بهدست میآید.
استیونسون میگوید: «راهحلهای پایهای این معادله، معمولاً شکل کروی ندارند. بیشتر اوقات به شکلهایی در میآیند که هممرکزند ولی نوسان دارند. چون این تابعهای موج بهخودیخود نامتقارناند، ذرات داخل هسته تمایل دارند در یک جهت خاص قرار بگیرند.»
در موارد نادری، این نوسانات بهطور تصادفی خنثی شده و هسته شکلی کروی به خود میگیرد. اما دانشمندان هنوز نمیدانند چرا این اتفاق فقط برای برخی هستهها میافتد یا اصلاً دلیل خاصی دارد یا نه.
جنکینز در پایان میگوید: «این یافتهها در واقع ورق را برمیگردانند. نگاه ما به شکل هستهها کاملاً تغییر کرده و هنوز هم پرسشهای زیادی بیپاسخ ماندهاند.»