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).