Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 22

Рис. 40

Фактически, зная наглядную геометрию и основные правила, или закономерности связи нуклонов друг с другом, которые были рассмотрены, видимо, можно было бы легко предсказать существование гелия-8, и все его свойства (в т. ч. наличие четырёх гало-нейтронов) — и до их экспериментального открытия.

Далее: Гелий-9 можно представить в виде одной из трёх возможных конфигураций, показанных на рис. 41. Неосуществление механизма водорода-6 во второй конфигурации на этом рис. (симметричное отдаление двух тринейтронов, что невыгодно, т. к. легко осуществимо), даёт возможность сразу отбросить эту, вторую конфигурацию. Также отбросим и третью конфигурацию, т. к. добавляемый нейтрон в ней, очевидно, связан слишком косвенно (нейтрон присоединён к нейтрону гало, т. е. слабосвязанному нейтрону). Т. о. остаётся лишь первая конфигурация, как правильная.

Рис. 41

Наконец, последний изотоп гелия, гелий-10 — см. на рис. 42. Из наглядной структуры этого ядра, видно, что оно содержит максимальное число нейтронов, и дальше добавлять нейтроны уже некуда: восемь нейтронов в гелии-10 связаны только благодаря незанятости более низкого энергетического уровня, т. е. из-за отсутствия нейронов в положении (отсутствующей) альфа-частицы в центре. Т. е. в этом ядре — нет кора (как и у изотопов гелия-5, -7 и -9). Внутренние нейтроны в гелии 10 — связаны (относительно) сильно, а наружные нейтроны — развёрнуты кнутри, т. о. гало-нейтроны тут отсутствуют, несмотря на то, что число нейтронов в гелии-10 — больше, чем в гелии-8 (это — теоретическое предсказание, т. к. из-за малого времени жизни, наличие / отсутствие гало-нейтронов у гелия-10 — ещё не определено).

Рис. 42

Если бы существовали изотопы гелия-11 и -12, нейтроны в них были бы связаны ещё более косвенно (не менее, чем через нейтроны гало), что является слишком слабой связью (поэтому изотопы гелия-11 и -12, как и водород-8, пока не наблюдались).

Итак, мы рассмотрели (вместе с изотопами водорода), наглядное строение атомных ядер первых 15-ти изотопов таблицы Менделеева, объясняя их спины, наличие или отсутствие гало-нейтронов, и общее число этих изотопов (т. е. почему их именно 7 у водорода, и 8 у гелия). Теперь мы можем пойти далее, и рассмотреть:

Объяснения закономерностей радиоактивных распадов

Объясним реакции распада ядер нестабильных изотопов, рассмотренных в предыдущих главах. Т. е. рассмотрим закономерности взаимопревращений ядер атомов, в связи с наглядными изображениями внутреннего строения ядер. Также определим и причины стабильности нерадиоактивных изотопов. Начнём с ядер водорода:

Водород-1 (протон) — стабилен т. к. протон, сам по себе, является стабильной элементарной частицей. Изотоп водорода-2 (дейтерий) — также полностью стабилен, т. к. нейтрон, превращаясь в протон — «расширяется», что неосуществимо в ядре дейтерия, см. рис. 43. (Кроме того, распад нейтрона — невыгоден, т. к. превратит ядро дейтерия в несвязанную (или почти несвязанную) систему — ядро гелия-2 (дипротон)).

Рис. 43

После стабильных, водорода-1 и дейтерия, следует радиоактивный водород-3 (тритий), имеющий, как уже говорилось, сравнительно большой период полураспада (12,32 года). В этом ядре, нейтроны — находятся на самом нижнем (= базовом) энергетическом уровне, что, естественно, выгодно, и связаны непосредственно или (нижний нейтрон) почти непосредственно с протоном, т. е. связаны сильно (а значит, нейтрон — не может вылететь из ядра, в отличие от наблюдаемого вылета нейтронов при распадах более тяжёлых изотопов водорода, о чём — далее). Один из нейтронов в тритии может лишь распасться до протона («расшириться»). Но в чём выгода этого? Можно видеть, что образующийся гелий-3 — замыкает область пространства большую, чем тритий, и т. о. оказывается немного ближе, по строению, к полностью замкнутой фигуре, т. е. фигуре наиболее энерговыгодного, среди всех рассмотренных ядер, гелия-4 (= альфа-частице).

Следующие за тритием, нестабильные изотопы водорода: 4, 5, 6 и 7 — имеют примерно одинаковые времена полужизни — порядка 10–22 сек (подробнее — см. в табл. 1). Все они — распадаются с вылетом нейтронов, как видно из табл. 1. Исходя из крайне малого времени жизни, мы можем сразу потребовать, чтобы распады этих ядер — происходили с переходом нейтрона на более низкий (в данном случае — базовый) энергетический уровень, в котором имеется т. о. вакансия. Действительно, для изотопов водорода-4 и -6 — это легко увидеть, см. рис. 44. Видно, что один из нижних нейтронов, в ядре водорода-4 — может «перевернуться», и занять более низкий (базовый) энергетический уровень, образовав т. о. ядро трития; соседний нейтрон, при этом — становится лишним (несвязанным), и вылетает, унося выделившуюся (при переходе между уровнями), энергию. То же самое — происходит в водороде-6, но вылетать может как один нейтрон, так и три нейтрона сразу (см. табл. 1 + рис. 44).

Рис. 44

Водород-6, несмотря на большую, чем у водорода-4, нейтроноизбыточность — живёт несколько дольше водорода-4 (см. табл. 1). Это увеличение времени жизни — можно объяснить, исходя из наличия тринейтрона (которое ведёт к асимметрии ядра, и в конечном итоге, уменьшению квантовой неопределённости положения нуклонов, что выгодно, и уже рассматривалось ранее). На неклассическом этапе, увеличение времени жизни у более нейтронизбыточных изотопов водорода — называлось водородной аномалией [11], т. к. оставалось, в целом, необъяснимым. (Аналогичная «аномалия» — имеется у ядер гелия: гелий-7, так же содержащий тринейтрон — стабильнее гелия-5).

Далее: Чтобы понять (объяснить) радиоактивный распад изотопа водорода-5, происходящий с вылетом двух нейтронов (табл. 1), мы должны учесть, что эти, до вылета — слабосвязанные, нейтроны, в этом ядре находятся не на базовом, а на более высоком энергоуровне. Но перейти в более низкое энергетическое состояние в ядре, они не могут, т. к. последнее — уже занято нейтронами кора (трития). Это уже объясняет, почему время жизни водорода-5 — больше времени жизни водорода-4 и -6, имеющих незаполненные места для нейтронов, на базовом энергоуровне.

Теперь учтём, что связь слабосвязанных нейтронов в ядре водорода-5, по определению, слабая, т. е. это должны быть гало-нейтроны (как у изотопов гелия-6 и -8), но для изотопа водорода-5 — экспериментальное определение наличия гало-нейтронов затруднено малым временем жизни ядра, и поэтому не выполнено. Аналогия наглядного строения ядра гелия-6 с ядром водорода-5 говорит, что в водороде-5 содержатся именно гало-нейтроны (из наглядной структуры ядра видно, что данные нейтроны связаны через другие нейтроны, а значит, связаны слабо (причём, ещё более слабо, чем в изотопах гелия-6 и -8, т. к. в водороде — всего один протон)). Слабая связь — эквивалентна малой энергетической выгоде от такой связи. В итоге, оказывается более энергетически выгодным переход гало-нейтронов из этого, как бы возбуждённого состояния — в базовое, т. е. на базовый энергоуровень, который хоть в этом ядре и занят, но свободен вне ядра, см. рис. 45. Т. е. гало-нейтроны, переходя на более низкий энергоуровень — оказываются свободными нейтронами, что и объясняет вылет нейтронов при распаде водорода-5. (Нужно также учесть спаренность этих нейтронов, благодаря которой, они могут совершать переход между уровнями одновременно друг с другом, и вылетать одновременно).