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The surface tension sigma and the surface density thickness t of nuclear matter have been calculated in the Fermi-gas model, the nucleons moving in a self-made shell model potential with a realistic slope and velocity dependence ( parameters alpha and beta ). One gets the experimental values for sigma and t with alpha and beta agreeing with earlier data.
Für ein System ('ideales Gas') von N miteinander nicht wechselwirkenden Teilchen oder Zuständen, deren Wellenfunktionen φ(x) der Randbedingung φ(x)=0 für x aus Ŵ. gehorchen sollen, (W sei dabei die Oberfläche eines geschlossenen Hohlraumes Ŵ beliebiger Gestalt), ist von verschiedenen Autoren eine halbklassische Eigenwertdichteformel angegeben worden. Diese hängt nur linear über die Integrale V ,W und L über Ŵ (Volumen, Oberflächeninhalt und totale Krümmung von Ŵ) von der Gestalt. des Hohlraumes ab. Während von H. Weyl mathematisch bewiesen, werden konnte, daß der führende Volumterm im Gebiet großer Eigenwerte alle folgenden Terme überwiegt, konnte für den Oberflächenterm eine gleichartige Vermutung bisher nur numerisch begründet werden. Von dieser halbklassischen Eigenwertdichteformel ausgehend, werden die thermodynamischen Relationen des idealen Gases aufgebaut und einige Größen wie innere Energie, spezifische Wärme sowie die Oberflächen- und Krümmungs-Spannung für die Grenzfälle starker, ein Gebiet mittlerer und schwacher Entartung explizit berechnet, und zwar sowohl für die Fermi-Dirac als auch die Bose-Einstein-Statistik, als auch für deren klassischen Grenzfall, die Boltzmann-Maxwell-Statistik (s.Diagramm). Ausgenommen wird nur der Spezialfall der Einsteinkondensation, weil hier die (nur im Gebiet großer Eigenwerte gültige) halbklassische Eigenwertdichteformel nicht angewendet werden darf. Die in dieser Arbeit untersuchten quantenmechanisch bedingten Oberflächeneffekte idealer Quantengase sind experimentell bisher wenig untersucht worden; für Molekülgase sind sie verschwindend klein. Die experimentell beobachtete Oberflächenspannung stabiler Atomkerne wird von dem Modell, das den Kern als ideales, entartetes Fermigas der Temperatur T beschreibt, im wesentlichen richtig wiedergegeben. Mit dem in Kap. 3b) abgeleiteten Ausdruck für die Oberflächenspannung stark entarteter idealer Fermigase endlicher Temperatur kann eine Voraussage über die Oberflächenspannung angeregter Atomkerne gemacht werden.
Wir haben Aussagen über das Eigenwertspektrum der freien Schwingungegleichung für einen Hohlraum B gesucht, welche unabhängig von der Gestalt des Hohlraumes nur von Gestaltparametern abhängen, die als Integrale über B bzw. über dessen Oberfläche ... Eigenschaften von ganz B darstellen, ohne die lokale Struktur der Oberfläche ... zu enthalten. An drei Testkörpern sehr verschiedener Gestalt (die Gestaltparameter waren ebenfalls verschieden), nämlich Würfel, Kugel und Zylinder, haben wir die Hypothese bestätigt, daß der mittlere Verlauf der Größen "Anzahl N und Summe E aller Eigenwerte unterhalb einer willkürlich vorgegebenen Schranke ER" in Abhängigkeit von der Wahl dieser Schranke i.w. gestaltunabhängig ist. Für den Quader lassen sich im Falle asymptotisch großer ER explizite Ausdrücke für N und E angeben, die für alle drei Testkörper nicht nur den mittleren Verlauf von N und E bei kleinen (endlichen) ER in zweiter Näherung (in Potenzen von Ef exp -1/2) richtig wiedergaben, sondern auch als numerische Näherung dss mittleren Verlaufs von N bzw. E brauchbar waren (relative Kleinheit des Restgliedes). Die mathematische Vermutung, daß sich für aS, große Ef eben diese expliziten Ausdrücke für N bzw. E' als gestaltunabhängig erweisen, soll in einer weiteren Arbeit behandelt werden. Das Ergebnis dieser Arbeit ist überall dort anwendbar, wo Eigenschaften des Spektrums der freien Schwingungsgleichung mit Randbedingungen benötigt werden, die sich aus N. bzw. E ableiten lassen; also vor allem in der Akustik (Zahl der Obertöne eines Hohlraumes unterhalb einer vorgegebenen Frequenz), in der Theorie der Hohlleiter usw. In dieser Arbeit haben wir die Anwendung auf ein einfaches Atomkernmodell betrachtet, das Fermigas-Modell. Es beschreibt den Kern als freies ideales in einem Hohlraum von Kerngestalt befindliches Fermigas. Dann bedeutet N die Teilchenzahl und E die Gesamtenergie des Systems. Ef ist die Fermigrenzenergie und es ist (Ef exp 3/2 /6*Pi*Pi) die Sättigungsdichte im Innern des Systems. Der Koeffizient des zweiten Termes des expliziten (aS.) Ausdrucks für E kann dann als Oberflächenspannung gedeutet werden. Die spezifische Hodell-Oberflächenspannung läßt sich in Abhängigkeit von dem Gestaltparametern und der Siittigungsdichte des Atomkernes schreiben. Nach Einsetzen der empirischen Werte erhalten wir numerisch einen Wert, der nur um 20% vom empirisch aus der v. Weizsäckerformel bekannten Wert für die spez. Oberflächenspannung abwich, obgleich das Modell nur eine äußerst einfache Näherung der Kernstruktur sein kann. Daher gelangten wir zu der Überzeugung, daß der Oberflächenanteil der Bindungsenergie wesentlich ein kinetischer Effekt ist.
Theoretical studies in the shell model have led to the conclusion that the shape dependence of the liquid-drop part of the semi-empirical mass formula of the Weizsaecker-Bethe type should contain terms proportional to the volume, the surface, and the mean-total curvature of the surface of the drop, respectively. Now the surface tension beta_e and the curvature tension gamma_e are fitted to the experimentally known fission barriers of 35 nuclei. Furthermore, the parameters of the liquid-drop part of the mass formula are roughly fitted to the ground-state masses of about 600 beta-stable nuclei. For the elementary radius r_e, the value 1.123 fm ( determined by Elton ) is used. As a result, gamma_e should be in the range 6-8 MeV, with the value 6.8 MeV being the most probable, thus beta_e=17.85 MeV. For sufficiently large values of the curvature tension ( e.g. gamma_e=13.4 MeV ), a small double-hump fission barrier occurs in the region of Ra.
