Мир вокруг нас

Этэрнус

Самый первый, т. е. базовый энергетический уровень — впервые полностью заполнен, как уже отмечалось, в ядре гелия-4 (альфа-частице): об этом свидетельствует, помимо всего прочего, полностью замкнутая форма этого ядра. Как увидим далее, каждый заполненный более высокий энергетический уровень — тоже соответствует геометрически замкнутой форме ядра (углерод-8, неон-20 и т. д.).

Последовательное заполнение базового энергетического уровня, как несложно догадаться — происходило в последовательности следующих изотопов: водород, дейтерий, тритий / гелий-3, и заканчивается гелием-4. Всего, на базовом энергетическом уровне, могут находиться т. о. 4 нуклона — два протона и два нейтрона.

Следующий, после базового, второй по счёту, энергетический уровень — впервые полностью заполнен в ядрах углерода-8 и водорода-7, но только

в углероде-8, этот уровень заполнен 4 протонами, а в водороде-7 — 4 нейтронами, см. рис. 132. Это и определяет свойства данных ядер, а также почему изотопы водорода заканчиваются на водороде-7, и изотопы гелия, с повышенной стабильностью, соответственно — на гелии-8 (что свидетельствует о наличии такого уровня в ядре, помимо наглядной геометрии). (Кроме того, об этом свидетельствует отсутствие изотопа кислорода-10). В целом, на втором (после базового), энергетическом уровне — могут расположиться всего 4 нуклона, но они могут быть любыми. (Хотя при дальнейшем прибавлении нуклонов = у более тяжёлых ядер, на этом энергоуровне — очевидно, способны расположиться только нейтроны).

Рис. 132

Отметим, что полностью заполненный второй энергоуровень, в отличие от первого (= базового) — не прибавляет ядру стабильности, а наоборот, ускоряет распад, т. к. в соответствующих ядрах оказывается наиболее высока протоноизбыточность (углерод-8) или нейтроноизбыточность (водород-7). Энергии связи этих ядер, среди изотопов соответствующих элементов (углерода и водорода), естественно — также оказываются наиболее низки [18] (в отличие от ⁴He).

Далее: Ещё более высокий, третий по счёту, энергетический уровень — впервые наполовину заполняется, как уже отмечалось, в ядре углерода-12 (см. рис. 120). На то же расстояние, что и в углероде-12, нуклоны могут добавляться вплоть до неона-20. Поэтому полностью, третий энергоуровень (впервые) заполнен — у неона-20 (который, как и полагается ядру с полностью заполненными энергоуровнями, имеет замкнутую, правильную геометрическую форму, напоминающую кристалл (см. рис. 129)). На рис. 129 видно, что протоны, в боковых альфа-кластерах, в ядре неона-20 — не тождественны, по расположению, протонам в углероде-8 (см. рис. 132), т. е. протонам второго энергоуровня, а значит, находятся выше по энергии (= находятся на третьем энергоуровне). Четыре из нейтронов в неоне-20 — тоже располагаются выше нейтронов в водороде-7 (= нейтронов второго энергоуровня), из чего можно видеть, что они также принадлежат третьему энергоуровню. Всего, на третьем энергоуровне т. о. располагается 12 нуклонов (8 протонов и 4 нейтрона (см. рис. 129)).

Полностью заполненный 3-й энергоуровень — даёт стабильное ядро (неон-20), т. к. это ядро оказывается состоящим из (выгодных) альфа-кластеров, уравновешивающих друг друга. Соотношение протонов и нейтронов, при этом, получается 1 : 1, как и в альфа-частице (заполненный первый энергоуровень). Выгода ядра неона 20 — несколько снижается вследствие ближне-дальней симметрии, из-за одинаковости кластеров (альфа-кластеры) вблизи и вдали, что проявляется в меньшем энерговыделении при образовании этого ядра, по сравнению с кислородом-16 и магнием-24 (подробнее, это будет рассмотрено позже).

Итак, обобщим данные, по числу нуклонов на энергоуровнях: 1-й (базовый) энергоуровень — имеет 4 нуклона, 2-й — тоже 4 нуклона, 3-й — 12 нуклонов. Получившиеся числа — напоминают количество электронов на энергетических уровнях в атоме (хотя и умноженное на два): как известно, первые энергоуровни в атоме, называемые 1s, 2s и 2p, содержат, соответственно, 2, 2 и 6 электронов.

Итак, получилось совпадение (симметрия) между атомными и ядерными энергетическими уровнями. Случайно ли это? И почему нуклонов на энергоуровнях (в ядре) — в два раза больше, чем электронов на энергоуровнях в атоме?

На последний вопрос, ответ, вероятно, вытекает из нарушения симметрии между веществом и антивеществом (причина которого — ещё будет рассматриваться, позже): ведь на 1s электронной оболочке в атоме, помимо двух электронов (с противоположными спинами), могли бы разместиться ещё и два позитрона (тоже

с противоположными спинами), что не нарушает известный принцип запрета Паули. Но позитронов в реальном атоме нет, т. к. в ядре нет отрицательного заряда, который бы их притягивал (т. к. вместо антипротонов — в ядре имеются лишь нейтроны, заряженные нейтрально). Тем не менее, подлинное число частиц на 1s энергоуровне атома — можно считать равным четырём, хотя это и не реализуется, из-за нарушенной симметрии между веществом и антивеществом (вернее, атомы не существовали бы, если бы эта симметрия (вещество / антивещество) не была нарушена (все частицы в окружающем Мире проаннигилировали бы)). Почему симметрия нарушилась — рассмотрим несколько позже.

Итак, ещё раз подчеркнём то, что так или иначе, но открывается скрытая симметрия между энергоуровнями атома и атомного ядра.

Это позволяет дать имена энергоуровням атомного ядра — точно такие же, как и энергоуровням атома:

1s-энергоуровень — заполнен у альфа-частицы (4 нуклона), 2s-энергоуровень — у углерода-8 и водорода-7 (4 нуклона), и 2p-энергоуровень — заполнен у неона-20 (12 нуклонов).

Наглядно видно, почему 2s- и 2p-энергоуровни объединены одной цифрой — т. к. только совместно они образуют (выгодные) боковые альфа-кластеры (в неоне-20 и углероде-12). Т. е. (что неудивительно), только (боковые) альфа-частицы целиком — являются энергетическим уровнем, а 2s и 2p — его подуровни. (Нуклоны на этих подуровнях — должны, как и в случае подуровней в атоме — быть близки по энергии (и сильно отличаться по энергии от нуклонов на 1s- и 3s-энергоуровнях)).

Чтобы посмотреть, продолжается ли совпадение атомных и ядерных энергетических уровней и далее, т. е. для более тяжёлых ядер, переходим к вопросу:

О строении ядер третьего и четвёртого рядов таблицы Менделеева

Рассмотрим строение ядер третьего и четвёртого рядов таблицы Менделеева, прежде всего таких, у которых полностью заполнены энергетические уровни (о чём будет свидетельствовать замкнутая геометрическая форма таких ядер).

На рис. 133 — показано строение ядра изотопа кремния, кремния 24 (положение этого элемента в таблице Менделеева — см. в табл. 22). Ядро кремния-24 — имеет замкнутую геометрическую форму. В этом ядре, можно предположить впервые полностью заполненным (протонами), 3s энергетический уровень (точнее, подуровень). Максимально, тут, как видно — может разместиться 4 нуклона (протона). Размещению пятого, и более, протонов (т. е. размещению их в ближней части ядра, на рис. 133), мешают сами протоны, в дальней части ядра (геометрически). При более точном рассмотрении, из-за равнозначности ближней и дальней частей ядра, протоны могут изначально располагаться в любой части ядра, и т. о. — колеблются между этими частями (как было показано на рис. 133). Т. о. протоны находятся в обеих частях ядра одновременно, так что в среднем, каждой части ядра принадлежит по одному протону. Из этого — легко увидеть, почему расположение нейтронов, отражающее положение 3s-энергоуровня, также полностью заполненного (но нейтронами), в ядре неона 24, на первый взгляд, не совпадает с положением протонов в кремнии-24 (если не учесть колебание протонов), см. рис. 134.

Рис. 133

Таблица 22

Таблица Менделеева, первые четыре ряда

Рис. 134

Следующий, 3p-энергетический уровень — наполовину заполняется также в изотопе кремния, — кремний-28, см. рис. 135. (По структуре, это ядро — является аналогом углерода-12 (рис. 120), в котором наполовину заполнен 2p-(под)уровень).