Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 36

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:

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).

Рис. 135

Полностью заполняется 3p-энергоуровень — в изотопе элемента, завершающего третий ряд таблицы Менделеева (табл. 22), это — аргон-36, см. рис. 136. В структуре ядра аргона-36, нужно уже учитывать, что некоторые из альфа-кластеров — должны повернуться, чтобы не мешать расположению друг друга геометрически, т. к. без поворота, они — немного заходили бы за плоскость симметрии, см. рис. 137.

Рис. 136

Рис. 137

При этом, если поворот совершат только альфа-кластеры третьего энергоуровня, то они, уже не пересекая плоскость симметрии, всё равно будут мешать расположению друг друга, как показано на рис. 138.

Рис. 138

Пригодная структура — возможна только в случае на рис. 139. На рис., поворот делает альфа-частица 2-го энергоуровня в одной части ядра, и альфа-частица 3-го энергоуровня — в другой.

Рис. 139

Все эти повороты альфа-частиц, были проведены одинаковым образом: строго вокруг мест прикрепления альфа-частиц друг к другу (т. е. после поворота, нейтроны крепятся друг к другу теми же частями, что и до поворота (например, отрицательно заряженные кварки dd одного нейтрона — к положительному кварку u другого)). Такой поворот — можно сказать, находится в некоторой аналогии с поворотами в структурах молекул, т. е. с возможностью молекулы менять т. н. конформацию.

В целом, структура аргона-36, как видно — является аналогом неона-20 (рис. 129), а заполнение энергоуровней — продолжает быть симметричным заполнению электронами энергоуровней атома. (О схожести (аналогичности) структур неона-20 и аргона-36 — свидетельствует в т. ч. близость энергии, выделяющейся при их образовании (в ядерных реакциях), о чём, подробнее — позже).

Далее: Для атома, после заполнения 3p-подуровня — следует 4s (два электрона), а затем — 3d-подуровень, с десятью электронами. Для ядра, если аналогичный, 3d энергетический уровень имеется в ядре, он соответствовал бы 20 нуклонам, а значит, 5 альфа-частицам (т. е. нечётному числу альфа-частиц). Это означает, что одна из альфа частиц 3d-подуровня (пятая) — должна принадлежать, одновременно, и верхней, и нижней частям ядра, т. о. пополам разделяясь плоскостью симметрии (аналогично энергоуровню 1s). Как ни удивительно, но именно такой, неизбежно оказывается одна из альфа-частиц, присоединяемых далее — см. рис. 140. Альфа-частица, располагаясь, как показано на рис., действительно, будет пересекаться плоскостью симметрии ровно пополам. Из этого, легко предположить, что эта альфа-частица принадлежит 3d-подуровню.