Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 32

Далее:

Чётность квантовых состояний ядер

Ядра (в т. ч. возбуждённые состояния одного и того же изотопа) — могут иметь одинаковые спины, но разный знак чётности. Такие ядра — обязаны иметь различающуюся внутреннюю структуру. Попробуем выяснить связь чётности со структурой ядер, в упрощённом виде (т. е. лишь сравнивая структуры ядер между собой):

Для начала, обратим внимание, что все ядра с чётным числом протонов и нейтронов (= геометрически полностью симметричные, или как уже говорилось, чётно-чётные ядра) — всегда имеют положительную чётность, во всей таблице Менделеева: отрицательные чётности в таких ядрах — взаимно компенсируются («минус, умноженный на минус — даёт плюс»). Пример: если соединить два ядра лития-4 с противоположными спинами и отрицательной чётностью, то получим углерод-8 с положительной чётностью, см. рис. 107.

Рис. 107

Итак, все ядра, симметричные относительно плоскости, делящей ядро на верхнюю и нижнюю части (тут — половины), — обладают положительным знаком чётности.

В отношении ядер, не являющихся чётно-чётными, рассмотрим ряды таких ядер, с последовательным изменением знака чётности при добавлении или удалении нуклонов. Первый подобный ряд ядер — представлен в табл. 13 и на рис. 108. Как видно, при добавлении протона, отрицательные чётности то компенсируют друг друга, то не компенсируют, поэтому чётности соседних ядер — оказываются противоположны. Важно, что переход между ядрами в представленном ряду осуществляется без значимой переконфигурации нуклонов (ядер). Поэтому знак чётности меняется закономерно.

Таблица 13 [8]

Ряд ядер, с последовательным изменением знака чётности

Примечание: жирным выделены стабильные ядра (изотопы)

Рис. 108

Небольшие переконфигурации, наблюдаемые в данном ряду — незначимы, т. к. добавляемые нуклоны остаются по одну (дальнюю от нас), сторону ядра. Кроме того, изменения кора (с гелия-3 на альфа частицу, при переходе от 11C к 12N, и возможно, от лития 8 к бериллию 9) — не влияют на чётность, т. к. в пределах построения альфа-частицы (от 1H до 4He), чётность неизменна (табл. 1, 2).

Данный ряд мы завершили на азоте-12, т. к. дальнейшее продолжение к кислороду-13 — непоказательно, из-за отсутствия достоверно установленного (экспериментально) значения чётности (и спина) последнего (табл. 10). Однако, можно подтвердить предполагаемую отрицательную чётность этого ядра, т. к. переход к нему — закономерен (не требует переконфигурации), см. рис. 109. Переход же к следующему ядру, фтору-14, очевидно, требует значительной переконфигурации, т. к. протон к ядру кислорода-13 добавлять больше некуда, поэтому чётность 14F — может не вписываться в данный ряд ядер, т. е. может не меняться, и быть отрицательной (табл. 11).

Рис. 109

Далее: Рассмотрим ещё один, второй ряд ядер: возьмём изотопы, содержащие на два нейтрона больше, чем первый ряд — см. табл. 14 и рис. 110.

Таблица 14 [8]

Ряд ядер, с последовательным изменением знака чётности

Рис. 110

В этом ряду, чётность меняется так же периодично, как и в предыдущем ряду.

Начало ряда завершается на боре-12, что можно объяснять значимой переконфигурацией, при переходе к бериллию-11 (с гало-нейтроном [25]), а именно — предпочтением этим ядром конфигурации, показанной на рис. 111-а (с переходом нейтрона в ближнюю часть ядра, и сохранением кора в виде выгодного (почти стабильного) ядра бериллия-10 (о котором — позже)), вместо конфигурации на рис. 111-б (без гало-нейтрона). (Добавлением чётного числа нуклонов, конфигурация бериллия-11 на рис. 111-а, может быть достроена до фтора-19 или неона-19, имеющих такую же положительную чётность (см. табл. 15) и схожее строение, см. рис. 112, что может также свидетельствовать о предпочтении ядром бериллия-11 структуры на рисунке 111-а, и объясняет наличие гало-нейтрона). Далее, из этого, можно показать, что и ядро гелия-9, представленное на рис. 113 — должно обладать положительным знаком чётности, что подтверждается в т. ч. новыми экспериментальными данными [13], и противоречит более ранним данным [21] / ожиданиям из (ненаглядных) теоретических расчётов из трендов [26].

Рис. 111

Таблица 15 [8]

Изотопы бериллий-11 и фтор-19

Рис. 112

Рис. 113

С другого конца, ряд заканчивается на кислороде-15, т. к. протон, далее (к 15O) — некуда добавлять, кроме очевидно маловыгодного положения, в нижней части ядра (см. рис. 110). Поэтому переход ко фтору 16 должен происходить путём существенной переконфигурации. Итак, причина, почему чётность фтора-16 не подчиняется закономерности представленного ряда — также вытекает из геометрии.

Итак, мы рассмотрели два ряда ядер, с периодическим изменением знака чётности.

Теперь, рассмотрим подробнее, как зависит знак чётности ядер от расположения нуклонов с ближней или дальней части ядра: На примерах гелия-9, бериллия-11, фтора-19 и неона-19, а также переходов угдерод-11 — азот-12, и т. п. переходов, можно видеть, что один лишний или отсутствующий нуклон в ближней части ядра — даёт (имеет) положительную чётность; в дальней же части ядра, на примерах гелия-7, углерода-13 и т. п., один добавленный / недостающий нуклон — имеет, наоборот, отрицательную чётность. Чётное число нуклонов, в любой (ближней или дальней) части ядра — имеет положительную чётность.

Итак, мы рассмотрели некоторые, весьма упрощённые, основы чётности ядер, в её связи со структурой ядер. Как видно, чётность привязана к структуре (геометрии) ядер, что можно видеть наглядно.

Строение стабильных ядер

Стабильные ядра (= стабильные изотопы элементов) — широко распространены в окружающем Мире, и ложатся в основу макрообъектов, в то время как нестабильные (протон- и нейтронизбыточные) — не имеют широкого распространения, и в основном получаются искусственно (в ускорителях заряженных частиц, и т. п.), т. к. ограничены, в своём существовании, временем (распадаются в стабильные ядра). Роль стабильных ядер т. о. — оказывается более заметной.