Мир вокруг нас
Шрифт:
Сложность в построении (вернее, определении конфигураций) ядер элементов второго ряда таблицы Менделеева, и всех более тяжёлых ядер — заключается, прежде всего, в необходимости соединять большее число нуклонов, что даёт множество конфигураций, из которых нужно выбирать правильную (вернее, основное, = невозбуждённое состояние ядра, являющееся наиболее выгодной из этих конфигураций), что требует учёта всех правил, и внимательности.
Конечно, мы не будем тут рассматривать абсолютно каждый изотоп у каждого из элементов второго ряда таблицы Менделеева, т. к. общее число этих изотопов — составляет более сотни. Все изотопы — строятся по аналогии, и так или иначе, с использованием рассмотренных ранее, правил. Мы рассмотрим лишь наиболее показательные и важные, для понимания строения ядер, изотопы во втором
Однако изотопы первого элемента второго ряда таблицы Менделеева, лития — пожалуй, стоит рассмотреть все (их всего 10 (т. е. на 2 больше, чем у гелия, и на 3 больше, чем у водорода)). Вместе со строением ядер, мы будем, одновременно, объяснять и особенности радиоактивных распадов этих ядер, причины имеющихся времён полужизни (либо стабильности), и других их свойств.
Строение ядер изотопов лития
Первый элемент, следующий после водорода и гелия — литий, см. табл. 3. Изотопы лития, по сравнению с изотопами водорода и гелия — это уже более сложные ядра, т. к. с них начинается второй ряд таблицы Менделеева, и на их примере — можно говорить о рассмотрении и более тяжёлых ядер. Изотопы лития (так же как и изотопы всех более тяжёлых элементов) — подразделяются на три группы:
1) протоноизбыточные ядра (для лития — это литий-4 и литий-5, распадающиеся с вылетом протонов);
2) стабильные изотопы (литий-6 и литий-7);
3) нейтроноизбыточные ядра (изотопы от лития-8 до лития-13, распадающиеся путём b– распада или/и с вылетом нейтрона(ов), см. табл. 4).
Таблица 3
1-й и 2-й ряды таблицы Менделеева
Таблица 4 [8]
Изотопы лития
Примечание: m, n — ядерные изомеры
Итак, начнём с рассмотрения легчайшего изотопа лития — лития-4. Это — нестабильный (протоноизбыточный) изотоп, спин которого равен 2. Его строение, объясняющее это значение спина — показано на рис. 56. Видно, что все нуклоны в этом ядре — находятся по одну сторону от плоскости, делившей ядра водорода и гелия на верхнюю и нижнюю части. Также видно, что два протона в ядре лития-4 — находятся на более высоком энергетическом уровне, в то время как место для протона на базовом энергоуровне — пустует. Причина выгоды именно такой конфигурации — заключается в том, что (боковые) протоны — тянут кварковую плотность нейтрона частично в одну сторону, по отношению к (базовому) протону, в отличие от конфигураций, представленных (в сравнении с данной), на рис. 57.
Рис. 56
Рис. 57. Обычная, и примеры неправильных конфигураций лития-4, вид сбоку (схематично)
Вообще, стоит обратить внимание, что литий-4 может существовать — только как такая, как бы возбуждённая конфигурация, т. е. с отсутствием протона в базовом положении. Построить конфигурацию лития-4, которая была бы сколь-нибудь выгодна нуклонам — можно только одну, и именно она имеет спин 2. Все другие конфигурации —
Нейтрон, в правильной конфигурации лития-4 — находится как бы в центре ядра. А сама выгода этого ядра — не только в притяжении нейтрона протонами, но и в утяжелении нейтрона боковыми протонами, что снижает квантовую неопределённость положения нейтрона, увеличивая его связанность с базовым протоном.
Литий-4 — распадается из-за перехода одного из боковых протонов на более низкий (базовый) энергетический уровень, который тут свободен. При этом, второй боковой протон — становится излишним (т. к. тянет кварковую плотность противоположно появившемуся нижнему протону), и поэтому вылетает (тоже переходя в базовое положение, но вне ядра), см. рис. 58.
Рис. 58
Т. к. в целом, распад лития-4 осуществляется за счёт перехода протонов между энергоуровнями (а не через распад нуклона, например), то реакция идёт за характерное время жизни подобных ядер (изотопов), или т. н. несвязанных атомных ядер (= состояний, распадающихся посредством испускания нуклонов (протонов или нейтронов)), поэтому время полураспада лития-4 — всего 91x10–24 сек.
Далее, переходим к строению ядра изотопа лития-5, конфигурация которого очень близка к литию-4, а спин равен 3/2, см. рис. 59. Механизм распада этого ядра — точно такой же, как у лития-4, поэтому и время жизни — почти такое же, хотя и чуть большее: 370x10–24 сек. То, что время жизни лития-5 — чуть больше, чем у лития-4 — объясняется тем, что боковые протоны менее охотно покидают своё положение, т. к. там они притягивают ещё и нижний нейтрон (см. на рис. 59), которого не было у лития-4. Причём тянут они его в одинаковую сторону, при этом увеличивая связь этого нейтрона и с базовым протоном.
Рис. 59
В построении конфигураций лития-4 и -5 — ярко проявлено правило замыкания максимальной области пространства (определявшее, в частности, распад трития до гелия-3): расположение граней нуклонов тут таково, что они пытаются приблизить форму ядра к шару, или красивому кристаллу. Вообще, ядра, геометрически — похожи на кристаллы, что служит, в некотором роде, отражением кристаллического (= упорядоченного) строения среды вакуума. Варианты конфигураций изотопов, не отвечающие этому правилу, и не имеющие иных (более значимых) выгод — не реализуются / реализуются лишь как возбуждённые состояния, см. примеры на рис. 60.
Рис. 60
Также стоит обратить внимание, что распад ядра — инициируется движением нуклонов, т. е. что нуклоны в ядре — не являются застывшими, но подвергаются (как минимум, «виртуальным») движениям. Сейчас мы видим ядра как кристаллы, но это — и динамичные образования (обладающие волновой природой).
Но продолжим рассмотрение изотопов лития:
Устройство стабильных изотопов лития — лития-6 и лития-7 (уже упоминавшихся ранее) — см. на рис. 61. В данных ядрах, верхний боковой протон — тянет один или два нижних нейтрона к себе, одновременно увеличивая их связь с остальными (базовыми) протонами ядра. Это оказывается выгодно для всего ядра. Поэтому нижние нейтроны в данных конфигурациях — стабилизируются (даже распад этих нейтронов — оказывается невыгодным, а связь — достаточно крепка, так что они уже не являются гало-нейтронами).