Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 20

Если вспомнить о плоских представлениях элементарных частиц, очевидно, что при помощи их — нельзя увидеть ядро геометрически правильным. Однако всё становится на свои места, как только мы перешли к объёмным изображениям элементарных частиц, и увидели ядро дейтерия в объёмном представлении.

Геометрическая красота, присущая наглядному строению ядра дейтерия, и замкнутость его фигуры — уже пол-объяснения, почему ядро дейтерия — нерадиоактивно (являясь т. о. одним из двух стабильных изотопов водорода). Кроме того, такое строение — объясняет, почему спины протона и нейтрона в этом ядре одинаковы. Геометрически, это единственно возможная конфигурация ядра дейтерия.

Устройство изотопов ядер первого ряда таблицы Менделеева

Первый ряд таблицы Менделеева, как известно — включает два элемента: водород и гелий. У водорода — открыто 7 изотопов (включая широко известные, первые три — протон, дейтерий и тритий), а у гелия — 8 изотопов (также вместе с широко известными, первыми двумя, гелием-3 и альфа-частицей (= ядром гелия 4)).

Мы рассмотрим, по порядку, строение всех этих изотопов, т. к. именно на этих простых примерах — проясняются простые и естественные (= вытекающие из геометрии), закономерности строения атомных ядер, раскрывающие причины их свойств.

Чуть ранее, мы уже рассмотрели устройство ядер двух стабильных изотопов водорода: протона (т. е. ядра обычного атома водорода), и ядра атома дейтерия, или т. н. тяжёлого водорода.

Итак, идём дальше ядра дейтерия: следующим изотопом водорода — является тритий. Как расположить два нейтрона и протон, чтобы получить ядро трития? Некоторые конфигурации трития, которые можно вообразить — представлены на рис. 25. Из этих конфигураций, правильной — оказывается первая. В ней, кварки нейтронов и протона — находятся наиболее близко друг к другу, а значит связь является наиболее сильной. Также заметим, что как известно, спин ядра трития — равен 1/2. На рис. — наглядно видна геометрическая основа этого значения спина: как уже говорилось, «перевёрнутый» нуклон имеет спин –1/2, а из-за неизбежного наличия в ядре трития (притом в любой из конфигураций) — также и нуклонов спина +1/2, т. е. неперевёрнутых нуклонов, суммарный спин ядра не может быть 3/2.

Рис. 25

Тритий — нестабильный изотоп, хотя нестабильность его — относительно мала (период полураспада — 12,32 года); рассмотрим причину распада — немного позже.

Далее: Если заполнить вакансию в ядре трития, подходящим на это место, протоном, то получим ядро гелия-4, или альфа-частицу, см. рис. 26. Ядро гелия-4 (альфа-частица) — полностью завершённая, замкнутая фигура, и соответственно, можно предположить стабильность этого ядра (изотопа). Так и есть: гелий-4 — полностью стабилен, причём является ядром, при образовании которого, выделяется самая большая энергия, в расчёте на нуклон, а сам элемент гелий — завершает первый ряд элементов таблицы Менделеева. Также наглядно видна геометрическая причина того, почему спин альфа-частицы равен 0.

Рис. 26

Кстати, именно ядра гелия-4 образуются в ядерных реакциях, идущих в обычных звёздах, и именно синтез гелия-4 — даёт энергию, которую излучает Солнце.

Далее: Если отнять от ядра гелия-4 один нейтрон, получим изотоп гелий-3. Это ядро (изотоп) — имеет спин 1/2 и тоже стабилен (образуется при распаде трития, о чём — позже). Некоторые конфигурации, которые можно вообразить для ядра гелия-3 — показаны на рис. 27. Из них, реализуется в природе — первая, т. к. в ней оба протона — тянут «кварковую плотность» нейтрона (по аналогии с электронной плотностью атома) — в одну и ту же сторону, а не в противоположные, как во второй конфигурации, или частично в противоположные, как в третьей, см. рис. 28. Учёт направления смещения кварковой плотности — будет одним из постоянных правил при определении строения более тяжёлых ядер (протоны должны смещать её в одинаковую сторону, насколько это возможно, а все конфигурации, нарушающие это правило, как увидим далее — не реализуются в природе, вернее, реализуются только как возбуждённые состояния).

Рис. 27

Рис. 28. Ядро гелия-3, вид сбоку (схематично), конфигурации — по рис. 27

Ещё одно правило, или закономерность, следующая из структуры уже рассмотренных ядер — это выгода конфигурации ядра, в которой грани, а значит, кварки нейтронов и протонов — располагаются наиболее близко друг к другу, стремясь к образованию наиболее замкнутой фигуры из возможных. Одним из следствий этого правила — является спин, равный единице, у ядра дейтерия, и нулевой спин гелия-4 (и его полностью замкнутая конфигурация), а также минимальное значение спина у гелия-3 (т. е. 1/2, вместо возможного 3/2 (см. рис. 27)).

Конфигурации нейтронизбыточных изотопов водорода

Нейтроноизбыточными изотопами водорода являются изотопы от водорода-3 (трития) до водорода-7, имеющие, за исключением трития, ничтожные времена жизни, не более чем порядка 10–22 сек, см. табл. 1. Несмотря на малое время жизни, эти изотопы весьма важны для подтверждения закономерностей строения атомных ядер. Остановимся на каждом из этих изотопов, по порядку:

Строение ядра трития — уже рассматривалось ранее, поэтому переходим сразу к водороду-4: Водород-4 — имеет спин 2, что объясняется рис. 29. Почему водород 4 предпочитает эту конфигурацию, а не такую, например, как на рис. 30? Фактически, нейтрон на рис. 30 — стал бы несвязанным, т. к. располагается слишком далеко от кварков протона, и кроме того, является неспаренным (о спаренных нуклонах — чуть позже). Если же оба нижних нейтрона займут «перевёрнутое вверх» положение, как было показано на рис. 29, то связь обоих нейтронов с протоном окажется одинакова, и они оба будут связанными. Поэтому образуется именно конфигурация со спином 2, показанная на рис. 29.

Таблица 1 [8]

Изотопы водорода

Примечания:

жирным отмечены стабильные изотопы

# — значения, предполагаемые из трендов

? — распад разрешён энергетически, но ещё не наблюдался экспериментально

( ) — неточный спин и / или чётность

Рис. 29

Рис. 30

Строение ядра следующего изотопа, водорода-5 — показано на рис. 31. Как видно, в этом ядре, часть нейтронов присоединены к нейтронам, а не непосредственно к протону. Объясняется это тем, что кварковая плотность непосредственно связанного с протоном, нейтрона — смещена к протону, и создаёт состояние нейрона с дефицитом кварковой плотности, при котором он является проводником для сил протона, стремящихся присоединить ещё один нейтрон. Т. о. в ядре атома, нейтрон (со смещённой кварковой плотностью) может связать нейтрон. Это объясняет не только существование ядер водорода-5 (а также -6 и -7), но и то, почему не наблюдается связанных состояний нейтронов вне ядра (там нет смещённой кварковой плотности, а значит, нейтрон к нейтрону уже не притягиваются).