Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 23

Рис. 45

Можно сказать, что ядро водорода-5 — вообще существует за счёт того, что находится в подобии возбуждённого состояния, т. е. как бы и не имеет базового состояния (его базовое состояние — соответствует ядру трития и двум свободным нейтронам, а это уже не водород-5, т. е. не связанная система). При синтезе (получении) ядра водорода-5, энергия т. о., соответственно, поглощается, а не выделяется.

Далее: Последний изотоп водорода, водород-7 — пока мало изучен, поэтому на нём (вернее, на рассмотрении его распада), подробно останавливаться не будем.

Итак, мы рассмотрели распады изотопов водорода, в связи с наглядными представлениями о внутренней структуре этих ядер. Пути распада, как видно — вытекают из структуры ядер, также как и соотношения времён жизни между изотопами.

Распады изотопов гелия

Теперь можно перейти к рассмотрению и реакций распада ядер изотопов гелия. Во многом, они дублируют те закономерности, что мы видели у изотопов водорода, но есть и существенные отличия, обусловленные наличием второго протона, из-за которого, нейтроны в изотопах гелия становятся связаны более сильно, а реакции с вылетом нейтронов, у некоторых изотопов, аналогичных изотопам водорода — становятся нехарактерными (см. табл. 2). Итак, рассмотрим реакции распада изотопов гелия, чтобы увидеть, как влияет увеличение связанности нейтронов (т. е. добавление протона) на эти реакции. Итак, по порядку:

Гелий-3 и гелий-4 — стабильны, т. к. все нуклоны в них находятся на наиболее выгодном (базовом) уровне, и расположены в соответствии с правилом о выгоде наиболее близкого расположения кварков (т. е. граней) нуклонов; кроме того, гелий-4 является полностью замкнутой фигурой. Любой распад этих ядер т. о. — невыгоден.

Гелий-5 — уже быстро распадается (период полужизни — всего 7×10–22 сек). Этот изотоп — испускает нейтрон, превращаясь в стабильный гелий-4. Механизм распада, в целом — аналогичен распаду изотопа водорода-4, см. рис. 46. На рис. видно, что в этом процессе, один из нижних нейтронов — изменяет спин (т. е. переворачивается), и переходит в базовое положение, образуя альфа-частицу (кор), где кварки этого нейтрона более близко расположены к протонам и другому базовому нейтрону, что усиливает его связь с последними. Второй нижний нейтрон, при этом — становится слабосвязанным (ядру он невыгоден из-за отсутствия сил спаривания). Поэтому этот лишний нейтрон — вылетает (так же переходя на низший (базовый) энергоуровень, но уже вне ядра, т. е. в свободное состояние).

Рис. 46

В следующем изотопе, гелии 6, нейтронам — некуда переворачиваться: более выгодные (базовые) положения в ядре — уже заняты другими нейтронами. В то же время, переход обоих нейтронов в базовое состояние вне ядра — в отличие от изотопа водорода-5, становится уже невыгоден (из-за наличия дополнительного протона). Кроме того, если один из нейтронов распадётся на протон, то получится стабильное ядро лития 6, что энергетически выгодно (о чём, подробнее — позже), и наблюдается в большинстве (99,99 %) распадов гелия-6, см. рис. 47. Поэтому, этому изотопу — приходится ждать, пока один из его гало-нейтронов не распадётся на протон, электрон и антинейтрино (b– распад). Время распада, вследствие этого, оказывается огромно, по сравнению с ядром водорода-5: так, гелий-6 — существует около секунды (806,9 мс), а водород-5 — лишь примерно (более) 9,1×10–22 сек. Также, это время жизни примерно в миллиард миллионов миллионов раз длиннее, чем у гелия-5 (7×10–22 сек), в котором, для распада, достаточно перехода нейтрона из более высокоэнергетичного положения в базовое, которое в этом ядре свободно (после чего, другой нейтрон, легко переходит в базовое положение вне ядра).

Рис. 47

Далее: В ничтожных 1,7×10–4 % случаев, b– распад гелия 6 может приводить не к литию-6, а к двум осколкам — гелию-4 и дейтерию. Это можно представить через промежуточную («виртуальную») стадию на рис. 48. При этом, нужно учесть, что значимая часть энергии b– распада тут передаётся, в конечном итоге, не электрону и антинейтрино, а осколкам — ядру дейтерия и гелия-4, благодаря чему и возможен такой канал распада (в то время как сам литий-6, который угадывается, хотя и в возбуждённом, а не основном состоянии, в «виртуальной» стадии — в своём обычном (основном) состоянии, как известно и уже говорилось — стабилен).

Рис. 48

Далее: Гелий-7 (похожий по строению на водород-6, и тоже содержащий тринейтрон) — имеет время жизни 3,1×10–21 сек, т. е. немного выше, чем у гелия-5, несмотря на свою более высокую нейтроноизбыточность (это одно из проявлений т. н. гелиевой аномалии, уже объяснявшейся для случая водорода-6 / гелия-7 — ранее).

Распад гелия-7, несмотря на сходство этого ядра с изотопом водорода-6, происходит не с вылетом трёх нейтронов: Гелий-7 — распадается с вылетом только одного нейтрона, т. к. связь нейтронов в гелии-7 — выше, чем в водороде 6, и вылет сразу трёх нейтронов — невыгоден. Механизм реакции распада ядра гелия-7 — показан на рис. 49. Как видно, один из нижних нейтронов, тут — переворачивается, занимая конфигурацию в образующейся т. о. альфа-частице (= сердцевине будущего гелия-6); при этом, самый верхний нейтрон в тринейтроне — становится несвязанным (т. к. присоединён к гало-нейтрону), и переходит (минуя сразу два энергоуровня), в базовое состояние вне ядра (т. е. вылетает, унося энергию распада, в виде импульса).

Рис. 49

Далее: Следующий изотоп, гелий-8, по реакции распада и времени полужизни, в целом — схож с гелием-6 (см. табл. 2). По структуре, от гелия-6, это ядро отличается, как уже рассматривалось, лишь тем, что содержит не два, а 4 гало-нейтрона. Любой из этих гало-нейтронов — может превратиться в протон, поэтому время жизни гелия-8 (119,1 мс) — несколько меньше, чем у гелия-6 (806,9 мс).

В большинстве (83%) случаев реакции распада гелия-8, из-за превращения (b– распада) одного из гало-нейтронов в протон — образуется изотоп литий-8. Возможные «виртуальные» стадии этого превращения — показаны на рис. 50.

Рис. 50

В 16,1% случаев, b– распад гелия-8 сопровождается вылетом нейтрона, что можно объяснить через промежуточные (возбуждённые / «виртуальные») состояния [12], как наглядно показано — на рис. 51. Как видно, в этом канале распада, продуктами являются стабильное ядро лития-7, и свободный нейтрон.

Рис. 51

В 0,9% случаев, распад идёт до гелия-5 и трития, а это — как раз компоненты, которые можно видеть (в виде относительно самостоятельных частей (кластеров)), в наглядной структуре ядра лития-8 (в который гелий-8 превращается, как уже говорилось, в 83% случаев). В данном же случае, (образующееся) ядро лития-8 — не успело передать, в полной мере, лишний импульс (энергию) b– распада электрону и нейтрино, и оказалось в некотором высоковозбуждённом состоянии, которое имеет достаточную энергию, чтобы перейти в базовое состояние не обычным путём (через испускание гамма-кванта), а через распад с образованием двух осколков — ядер гелия-5 и трития [12]. Упрощённо, можно представить, что лишняя энергия раскалывает ядро 8Li (в основном состоянии) — на две и так бывшие относительно самостоятельными, части.