Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 33

Теперь, на постнеклассическом этапе, мы можем увидеть, наглядно, структуру стабильных ядер, и выяснить причины их стабильности (что рассмотрим на примере стабильных ядер элементов первых двух рядов таблицы Менделеева (всего 20 ядер, см. табл. 16)). Также включим в рассмотрение и некоторые нейтронизбыточные ядра, имеющие высокие времена жизни, более 12,32 лет = более, чем у трития (2 ядра, см. табл. 17).

Таблица 16 ^[8]

Стабильные ядра 1-го и 2-го рядов таблицы Менделеева

Таблица 17 ^[8]

Нестабильные ядра в первых двух рядах таблицы Менделеева, с временами жизни более, чем у трития (12,32 года)

Вообще, строение стабильных ядер — подчинено тем же правилам, что уже были рассмотрены (поэтому в целом, тут нужно только применять то, что уже известно).

Для начала, определим наиболее общие причины стабильности ядер:

Одна из этих причин — заключается в оптимальном соотношении числа протонов и нейтронов, в таких ядрах (отсутствие протонизбыточности или нейтронизбыточности, которые приводили бы к нестабильности). В свою очередь, величина этого оптимального соотношения — вытекает из наглядной геометрии, в т. ч. из строения альфа-частицы, см. рис. 114. На рис. — видно, почему соотношение протонов и нейтронов 1 : 1 — является оптимальным, и обеспечивает наибольшую силу связи нуклонов: как уже рассматривалось, альфа-частица — является полностью замкнутой, правильной геометрической структурой, с наибольшим сближением протонов и нейтронов, для их эффективного взаимодействия.

Рис. 114

Если сравнить альфа-частицу (ядро гелия-4) с ядрами с таким же числом нуклонов — водородом-4 и литием-4, то легко понять, из геометрии, почему последние, в отличие от альфа-частицы — являются крайне нестабильными (нейтрон- или протонизбыточными), и обладают малой силой связи нуклонов — см. рис. 115 и табл. 18.

Рис. 115

Таблица 18 ^[18]

Удельные энергии связи ядер с массовым числом 4

Итак, на примере альфа-частицы, оптимальным является соотношение числа протонов и нейтронов в ядре, как 1 : 1. Однако небольшое отклонение от этого значения — ещё не способно, само по себе, сделать ядро нестабильным: примеры: стабильные гелий-3, литий-7 и т. п. Причина их стабильности — видна в структуре, в т. ч. в отсутствии более выгодной, к которой ядро могло бы перейти (распасться):

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 — 1,51×10⁶ 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).