Мир вокруг нас

Этэрнус

Так, если протон в гелии-3 превратится в нейтрон (b⁺ распад), то получится ядро трития, которое замыкает меньшую область пространства, и оказывается дальше по структуре от альфа-частицы; кроме того, выгода от расширения нейтрона в протон, при распаде трития — очевидно, превышает невыгоду от появления отталкивания протонов (в гелии-3), что можно объяснить малым числом протонов (всего 2). В итоге, b⁺ распад гелия-3 в тритий — невыгоден. Если же в гелии 3, наоборот, нейтрон распадётся на протон (b^– распад), то получится несвязанная система лития-3 (три свободных протона), что также невыгодно. Поэтому распад гелия-3 — оказывается запрещённым, т. к., как видно, нет более выгодной структуры (ядра), к которой он мог бы перейти. Соотношение числа протонов и нейтронов, отклоняясь у гелия-3 от оптимального — отражается лишь в уменьшенной силе связи нуклонов,

по сравнению с альфа-частицей, где оно оптимально (как уже отмечалось, энергии связи у ⁴He / ³He равны 7,074 / 2,573 кэВ).

Точно так же, для ядер возможно и отклонение в сторону избытка нейтронов над протонами, с сохранением стабильности ядра (например, литий-7 (где есть место для двух нейтронов, уравновешиваемых протоном), и т. д.). Вообще, примеров таких ядер — оказывается большинство, среди всех стабильных изотопов в таблице Менделеева, т. к. нужно учесть влияние электрического отталкивания протонов, которое приводит к большей выгоде от избытка нейтронов над протонами, а в более тяжёлых ядрах — избыток нейтронов становится даже необходимым условием для стабилизации ядра, из-за сильно возросшего электрического отталкивания протонов (подробнее о таких ядрах — позже).

Далее: Приступим теперь к рассмотрению структур стабильных изотопов элементов по порядку. Стабильные ядра водорода, гелия и лития — уже рассматривались ранее, в достаточной мере, поэтому переходим сразу к бериллию:

Бериллий имеет один стабильный изотоп — бериллий-9, структура которого (уже упоминавшаяся ранее), показана на рис. 116. В первой (наиболее вероятной) конфигурации этого ядра, видно, что альфа-частица — стабилизируется нейтроном (уравновешивается им). Если сравнить эту структуру с ядром бериллия-8 (вернее, с его возбуждённым состоянием на рис. 117-а), то видно, что такой стабилизации в ядре бериллия-8 — нет, либо же, как в состоянии на рис. 117-б, нейтрон может легко перепрыгнуть вверх, с образованием альфа-кластера, и стабилизация будет утрачена. Из этого — можно лучше понять причину отсутствия стабильности у бериллия-8 (несмотря на соотношение протонов и нейтронов 1 : 1), и стабильности бериллия-9. (Кроме того, как уже рассматривалось ранее, ядро бериллия-8 в основном состоянии — неизбежно включает два маловыгодных, дейтериевых кластера, что приводит к большей выгоде его распада до двух альфа-частиц).

Рис. 116

Рис. 117

Отклонение соотношения протонов и нейтронов от оптимального, в ядре бериллия-9 — опять же отражено в снижении силы связи нуклонов в ядре, даже по сравнению с нестабильным бериллием-8, см. табл. 19.

Таблица 19 ^[18]

Энергии связи ядер гелия 4, бериллия 8 и 9

У элемента бериллия также имеется один нейтронизбыточный изотоп, с высоким временем жизни — бериллий-10 (период полураспада — 1,51x10⁶ лет), т. е. это — почти стабильный изотоп. Структура его, отражающая эту почти стабильность — представлена на рис. 118. Два уравновешенных кластера трития тут — приводят к высокой выгоде данного ядра, хотя и создают нейтроноизбыточность немного больше критической, и становится возможен b^– распад. Причина распада — близка к таковой для трития, но ослаблена выгодой взаимного уравновешивания кластеров трития, и ростом пользы от избытка нейтронов.

Рис. 118

Далее: Структуры стабильных ядер бора — показаны на рис. 119. Как видно, в этих ядрах (как и в бериллии-9 в альтернативной конфигурации) — действует механизм водорода-6 (приводящий в т. ч. к высоким значениям спинов у этих ядер).

Рис. 119

Стабильные

ядра углерода — показаны на рис. 120. В ядре углерода-12 — наполовину заполнены первые энергетические уровни, следующие за базовым, поэтому структура данного ядра — напоминает красивый кристалл, или некую завершённую структуру. (Об энергетических уровнях в ядре — мы ещё будем говорить, позже). Ядро углерода-12 примечательно также тем, что состоит из трёх связанных альфа-частиц, и видно, почему такая структура стабильна (боковые альфа-кластеры — уравновешивают друг друга), в то время как связанное состояние двух альфа-частиц (бериллий-8, в возбуждённом состоянии) — невыгодно, т. к. является неуравновешенным состоянием (см. рис. 117-а). (Основное же состояние бериллия-8 — это что угодно, только не две связанные альфа-частицы: из требования спина 0, для всех чётно-чётных ядер, а значит, их верхне-нижней симметрии, очевидно, что вторая альфа-частица в чётно-чётном изотопе (ядре), бериллии-8 — должна разделиться на два кластера дейтерия, которые расположатся, по одному, в верхней и нижней частях ядра, уравновешивая друг друга; это представляет маловыгодную структуру, но наиболее выгодную, для этого ядра, как уже рассматривалось ранее).

Рис. 120

Далее: В структуре ядра углерода-13, виден (выгодный) кластер бериллия-9, см. рис. 121. Однако основная причина стабильности этого ядра — объясняется невыгодностью b^– распада, который вёл бы к аналогичному по строению, ядру, но в котором нейтрон заменён на протон — азоту-13, в то время как выгоден, как уже отмечалось, наоборот, избыток нейтронов над протонами (компенсирующий рост отталкивания протонов в ядре). Поэтому азот-13 претерпевает b⁺– распад до углерода-13, а последний оказывается стабильным ядром.

Рис. 121

У углерода также имеется почти стабильный нейтронизбыточный изотоп, углерод-14, с периодом полураспада 5,7x10³ лет, показанный на рис. 122. Как видно, для него можно представить две конфигурации (одна из них — может являться возбуждённым состоянием ядра). В первой (наиболее вероятной) конфигурации на рис. 122, нахождение нейтронов на более высоком энергоуровне — выгодно, т. к. препятствует отдалению боковых альфа-частиц от базовой альфа-частицы, и приводит к выгодным кластерам бериллия-9, в структуре ядра. С другой стороны, отдаление боковых альфа-частиц (альфа-кластеров) — уменьшало бы связанность данных нейтронов с протонами базовой альфа-частицы; но как раз этого недостатка — лишена вторая конфигурация на рис. 122, где кроме того, нейтроны расположены на более низком энергетическом уровне.

Рис. 122

Стабильные изотопы азота — см. на рис. 123. Заметим, что азот-14 — один из четырёх стабильных изотопов во всей таблице Менделеева, имеющий нечётное число как протонов, так и нейтронов (нечётно-нечётное ядро). Азот-14 можно представить в качестве аналога ядра лития-6, но только с двумя вклиненными альфа-частицами (при этом, литий-6 — тоже имеет нечётное число и протонов, и нейтронов, и т. о. тоже является одним из нечётно-нечётных стабильных ядер). К последним — относятся, помимо лития-6 и азота-14 — ещё дейтерий и бор-10, которые — также схожи по структуре, и наглядно — различаются между собой и от лития-6/азота-14, одной/двумя/тремя вклиненными альфа-частицами (структуры этих ядер — уже рассматривались ранее).

Рис. 123

Так же как литий-6 и азот-14 схожи друг с другом по структуре, можно провести аналогию и между азотом-15 и литием-7 (различие — в добавленной паре взаимно уравновешенных альфа-кластеров). Но только в азоте-15, один из высокоэнергетичных нейтронов — должен иметь отрицательный спин (что рассматривалось ранее), поэтому общий спин азота-15 (1/2) и лития-7 (3/2) не совпадают.