Мир вокруг нас

Этэрнус

У следующего элемента, кислорода — имеется уже целых три стабильных изотопа:

Первый из них, кислород-16 — примечателен тем, что по числу нуклонов и их соотношению (1 : 1) — соответствует четырём альфа-частицам. Однако с т. зр. наглядной геометрии, он, как и бериллий-8 — не может состоять из четырёх альфа-частиц (как кластеров). Поэтому кислород-16 обретает одну из структур, представленных на рис. 124.

Рис. 124

В наиболее вероятной (первой) конфигурации на рис. 124, ядро кислорода-16, как видно, в отличие от ⁸Be,

имеет выгодные кластеры гелия-3 и трития, что вместе с упоминавшимся, оптимальным соотношением протонов и нейтронов в этом ядре, легко объясняет наблюдаемую стабильность (выгоду) этого ядра (изотопа). Если же отнять один нейтрон — то на месте выгодного кластера трития, образуется (невыгодный) кластер дейтерия, из чего можно увидеть (уточнить) также причину нестабильности предыдущего изотопа, кислорода-15 (который рассматривался ранее).

Следующий изотоп, кислород-17 — примечателен переконфигурацией, которую можно представить в виде ряда переходов нуклонов, вызванных добавлением нейтрона, см. рис. 125. В этом ядре, как видно, усиливается асимметричность, между ближней и дальней частью ядра (напоминающая, по сути, механизм водорода-6), при этом, нуклоны концентрируются преимущественно по одну (дальнюю) сторону ядра. Также можно видеть образование кластера бериллия-9 (верхняя ближняя альфа-частица — стабилизируется нижним нейтроном). Сама необходимость и выгодность значительной переконфигурации, при переходе к кислороду-17 — связана, в целом, с тем, что добавляемый нейтрон — должен связаться наиболее лучшим образом, сразу со всеми протонами в ядре (точнее, все нуклоны в ядре — располагаются по отношению друг к другу так, чтобы быть связанными наиболее эффективно друг с другом).

Рис. 125

Далее: Кислород-18 — см. на рис. 126. В этом ядре, число нейтронов превышает число протонов уже на два, но ядро остаётся стабильным (в отличие от изотопов с двумя дополнительными нейтронами, предыдущих элементов, углерода-14 и бериллия-10 (имеющих высокие времена жизни, но лишённых стабильности)). При этом, время полураспада бериллия 10 (1,51x10⁶ лет) — оказывается выше, чем у углерода-14 (5,7x10³ лет), несмотря на большее число протонов в последнем. Причина такого поведения времён жизни — легко объясняется из наглядной геометрии: связыванием двух нейтронов в выгодных кластерах трития в бериллии-10, и отсутствием связывания их в подобных кластерах (т. е. кластерах трития / гелия-3 / альфа-кластерах) в углероде-14.

Рис. 126

Далее: Фтор, предпоследний элемент второго ряда таблицы Менделеева — имеет всего один стабильный изотоп (что в общем, связано с нечётным числом протонов, которое заведомо предполагает несимметричность (некомпенсированность) смещения кварковой плотности нейтронов, и уменьшение энергии связи, по сравнению с ядрами элементов с чётным числом протонов).

Сравним, в этой связи, ядро соседнего к стабильному фтору-19, изотопа, фтора-18, — с таким же по массе, изотопом элемента, имеющего чётное число протонов, — кислородом-18, см. рис. 127. Из рис. — видно, что ядро фтора-18 — обладает значительной верхне-нижней несимметричностью, а значит, некомпенсированностью смещения кварковой плотности, и т. о. очевидно менее выгодно, чем (симметричная) структура ядра кислорода-18. Неудивительно, что фтор-18, несмотря на оптимальное соотношение протонов и нейтронов (1 : 1) — распадается до кислорода-18 (табл. 11). Поэтому у фтора — остаётся только один стабильный изотоп (¹⁹F, структура которого — уже упоминалась ранее, и показана на рис. 128). В конечном итоге, причина всего одного стабильного изотопа у фтора — в нечётном числе протонов (нечётные элементы, во всей таблице Менделеева — имеют всего один-два стабильных изотопа).

Рис. 127

Рис. 128

В

отличие от фтора, у следующего элемента, неона (элемент с чётным числом протонов) — стабильных изотопов опять три. Неон — завершает второй ряд таблицы Менделеева. Структура его первого стабильного изотопа, неона-20, примечательна особой красотой (кристалличностью), см. рис. 129. Причина: в неоне-20 — полностью заполнены первые энергоуровни, следующие после базового (подробнее об энергоуровнях — чуть позже).

Рис. 129

Неон-21 — претерпевает переконфигурацию, аналогично кислороду-17, но показательно, что спин при этом — оказывается не 5/2, как у кислорода-17, а 3/2, см. рис. 130. Можно показать, что дальнейшие переходы протонов (или нейтронов) в ядре неона-21 — невыгодны (см. рис. 130), что соответствует структуре со спином 3/2.

Рис. 130

Несимметричность смещения кварковой плотности протонами — делает энергию связи нуклонов в ядре неона-21 — несколько меньшей, по сравнению с соседними изотопами, неоном-20 и -22, см. табл. 20. (Аналогично, снижалась энергия связи и у кислорода-17, по сравнению с кислородом-16 и -18 — табл. 21).

Таблица 20 ^[18]

Энергии связи изотопов неона-20–22

Таблица 21 ^[18]

Энергии связи изотопов кислорода-16–18

Структуру неона-22 — см. на рис. 131. На этом изотопе — завершается последовательность стабильных изотопов второго ряда таблицы Менделеева.

Рис. 131

Т. о. мы рассмотрели все стабильные ядра в первых двух рядах таблицы Менделеева (в общем, 20 ядер), и два почти стабильных ядра (бериллий-10 и углерод-14). Рассмотренных примеров — вероятно, должно быть вполне достаточно, для общего представления о стабильных ядрах и причинах стабильности.

Итак, переходим к следующему вопросу:

Об энергетических уровнях в ядрах

Нуклоны в ядре — различаются по энергии, т. к. геометрически не могут располагаться все одновременно на базовом уровне, т. е. поместиться в одну альфа-частицу. Добавляемые нуклоны, поэтому — располагаются выше и дальше от базовых. При этом, естественно предположить, что нуклоны, расположенные на одном расстоянии — одинаковы по энергии, т. е. должны принадлежать одному энергоуровню. Рассмотрим, каким образом располагаются энергетические уровни в атомном ядре, в связи с наглядной геометрией (частично, мы уже касались этого вопроса):