Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 22 страниц)

Строение протонизбыточных изотопов второго ряда таблицы Менделеева

В данной главе, мы рассмотрим строение самых первых изотопов у каждого из элементов второго ряда таблицы Менделеева. Нам предстоит выяснить, почему изотопы этих элементов (от лития до неона, см. табл. 3) – начинаются именно с тех протонизбыточных изотопов, с которых начинаются, например, почему первый изотоп углерода – углерод-8, и почему нет углерода-7, и т. п. На постнеклассическом этапе, всё это – можно увидеть из наглядной геометрии, т. е. непосредственно, в отличие от неклассической ненаглядности объектов микромира. Итак, начнём:

Мы уже рассматривали строение протонизбыточных изотопов лития (лития-4 и -5), и объясняли их свойства, в т. ч. распады, поэтому переходим сразу же к первому известному протонизбыточному изотопу следующего элемента – бериллию-6, свойства которого – представлены в табл. 5. Внутреннее устройство ядра бериллия-6 – показано на рис. 74. На рис. видно, что боковые протоны в бериллии-6 – располагаются по разные стороны от плоскости симметрии ядра (суммарный спин ядра – 0), и т. о. способны уравновешивать смещение кварковой плотности, производимое друг другом (напомним, что (кварковая) плотность тут – лишь условное понятие, применяющееся из соображений удобства, а не реальная плотность, т. к. элементарные частицы – бесплотны).

Таблица 5 ^[8]

Протоноизбыточные изотопы бериллия

Рис. 74

Представим, что было бы, если бы боковые протоны расположились по одну сторону ядра (спин 1), как на рис. 75. Как видно на рис., в этом случае, боковые протоны тянули бы кварковую плотность нижнего нейтрона – в противоположную сторону от нижнего базового протона. Т. о. они уменьшали бы связь базовых нейтрона и протона, что невыгодно. В случае же симметричного расположения, боковые протоны уравновешивают смещение кварковой плотности, и уже поэтому выгодна именно конфигурация со спином 0 (на рис. 74).

Рис. 75

Распад бериллия 6 с вылетом двух протонов – есть результат перехода боковых протонов на базовый энергоуровень вне ядра (т. к. внутри ядра, все базовые положения уже заняты). Можно представить, что вылет именно двух протонов (в отличие от распада лития-4 и -5, где испускался только один протон) – имеет причиной невыгодность образования, в промежуточной стадии, конфигурации лития-5, показанной на рис. 76. В этой конфигурации, боковой протон уменьшает связь нижнего нейтрона с нижним (базовым) протоном. А именно такая (невыгодная) конфигурация начинает образовываться, как только один из боковых протонов собирается покинуть ядро бериллия-6. Поэтому, чтобы избежать этой невыгодной конфигурации, второй боковой протон – должен вылетать вместе с первым (одновременно), что объясняет канал распада бериллия 6, через вылет двух протонов (табл. 5).

Рис. 76

Структура следующего протонизбыточного изотопа, бериллия-7, имеющего спин 3/2 – показана на рис. 77. Этот изотоп – почти стабилен, и как видно, является аналогом лития-7 (если поменять протоны на нейтроны, в боковом положении). Подобные ядра разных элементов, имеющие одинаковое число нуклонов, а число нейтронов – равным числу протонов у другого изотопа, и наоборот – называют зеркальными ядрами; свойства таких ядер – оказываются схожи (особенно, спектры возбуждённых состояний, а также спины и времена жизни): Так, бериллий-7, как и литий-7 – имеет спин 3/2. По времени жизни, бериллий-7 (53,22 сут.) – также не очень далёк от лития-7 (стабильного изотопа), причём на самом деле, стабильность бериллия-7 – ещё ближе к литию-7, по следующей причине: бериллий-7 – претерпевает распад путём электронного захвата (протон, захватывая электрон из электронной оболочки атома, превращается в нейтрон, испуская нейтрино). Электронный захват – претерпевают ядра, не способные к вылету протона или b⁺ распаду (о последнем – позже), т. е. почти стабильные ядра. В случае бериллия-7, период полужизни – не очень высок (53,22 суток), но в отсутствие электронной оболочки (в состоянии иона), это ядро было бы полностью стабильным [17] (т. е. аналогичным зеркальному изотопу, литию-7).

Рис. 77

У следующего протонизбыточного изотопа, бериллия-8 – период полураспада резко падает, и составляет всего 8,19×10^–17 сек. В природе – не существует стабильных или близких к стабильности, изотопов, с массовым числом (т. е. числом нуклонов) 8, и бериллий-8 – не исключение. Причину этого – можно видеть в наглядной геометрии ядра, что становится возможно лишь на постнеклассическом этапе:

Для ядра бериллия 8, геометрически невозможно построить конфигурацию, которая была бы выгодной, в отношении связывания протонов и нейтронов, по сравнению с двумя свободными альфа-частицами, на которые бериллий-8 распадается. Наиболее вероятный вариант основного состояния бериллия-8 – показан на рис. 78. Этот вариант соответствует требованию симметричности, которое исходит из того, что ядра с чётным числом протонов и нейтронов (т. н. чётно-чётные ядра), во всей таблице Менделеева – имеют спин 0, самое простое объяснение чему – симметричное устройство этих ядер (т. е. зеркальная симметрия между верхней и нижней частью ядра).

Рис. 78

В данном случае, в симметричном строении ядра бериллия-8 – неизбежно наличие кластеров дейтерия. А как известно, связь протона и нейтрона в дейтерии – является наиболее слабой (по сравнению с альфа-частицей, тритием и гелием-3, в т. ч. как кластерами), см. табл. 6. Поэтому протоны в кластерах дейтерия, в бериллии-8 – довольно слабо связаны с нейтронами (хотя эта связь и несколько усиливается спаренностью нейтронов, т. о. связывая один боковой нейтрон, протон связывается и со спаренным нейтроном). С нейтронами же в базовом положении (= нейтронами альфа-частицы, или кора) – эти протоны уже почти не связаны. При этом, находясь на высоком энергоуровне, эти (боковые) протоны, в условиях достаточно слабой связанности с нейтронами – оказываются в состоянии перейти на базовый энергоуровень вне ядра, в случае которого, они захватывают и боковые нейтроны, с образованием т. о. ещё одной альфа-частицы (вне ядра). Ядро бериллия-8 – действительно, распадается путём раскола на две альфа-частицы (вернее, бериллий-8 – испускает альфа-частицу, превращаясь в альфа-частицу, что является примером альфа-распада (с ним – мы сталкиваемся впервые)).

Таблица 6 ^[18]

Энергии связи ядер дейтерия, трития, гелия-3 и гелия-4

Примечание: запятая тут – отделяет тысячи

На неклассическом этапе, ядро бериллия-8 – нередко пытались представить как систему из двух сильно взаимодействующих (связанных) альфа-частиц [19]. Постнеклассически же, наглядно видно, что до распада, ядро бериллия-8 – не состоит из двух альфа-частиц: вторая альфа-частица – образуется лишь в процессе распада.

Далее: Итак, мы рассмотрели особенности внутреннего устройства протонизбыточных изотопов бериллия, и познакомились с тремя новыми видами радиоактивных распадов (двухпротонный распад, электронный захват и альфа-распад). Переходя теперь к протоноизбыточным изотопам следующего элемента, бора – мы вскоре познакомимся ещё с одним видом радиоактивного распада (b⁺ распад), вместе с которым, перечень основных видов радиоактивных распадов, которые претерпевают атомные ядра в природе – уже практически исчерпывается.

Итак, рассмотрим строение протонизбыточных изотопов бора:

Наиболее вероятную конфигурацию первого известного изотопа бора, – бора-7, можно видеть на рис. 79. Так же как и в ядре лития-4, в ядре бора-7 – все нуклоны сосредоточены по одну сторону от плоскости симметрии ядра, что подтверждается, в частности, высоким значением спина бора-7 – 3/2 (хотя это значение спина, пока не установлено с достаточной достоверностью), см. табл. 7. Альтернативные конфигурации со спином 3/2 – отсутствуют. А в наиболее симметричной конфигурации (со спином 1/2), которая представлена на рис. 80 – содержится неуравновешенный боковой протон, что является невыгодным (т. к. он уменьшает связь базового протона с нейтроном), поэтому такая конфигурация – не образуется (или образуется как возбуждённое состояние). В конфигурации же со спином 3/2 (т. е. односторонней, показанной на рис. 79), протоны тянут кварковую плотность нейтронов, частично в одну сторону, что выгодно (и подобно ядру лития-4). Выгода образования конфигурации с таким, односторонним расположением нуклонов (механизм лития-4), встречается, помимо ⁷B, и в более тяжёлых ядрах (которые рассмотрим позже).

Рис. 79

Таблица 7 ^[8]

Протоноизбыточные изотопы бора

Рис. 80

Время жизни бора-7 (570×10^–24 сек) и канал распада (вылет одного протона), также, в общем, аналогичны литию-4. (Распад обоих элементов, при этом, можно представить через «виртуальные» стадии, но не будем на том останавливаться).

Следующий протонизбыточный изотоп бора, бор-8 – даёт нам возможность, впервые познакомиться с явлением гало-протона [20]. Зная основы наглядных представлений о ядрах – несложно выяснить наглядную структуру бора-8, и увидеть гало-протон как неизбежное следствие геометрии, см. рис. 81.

Рис. 81

Как видно, гало-протон, в конфигурации ядра на рис. – это протон, находящийся в составе кластера дейтерия, нейтрон в котором – не спарен с другим нейтроном, что ещё больше снижает связь протона, которая и так слаба (связь нуклонов в кластере дейтерия, как уже отмечалось, гораздо слабее, по сравнению с кластерами трития, гелия-3 или альфа-кластером, поэтому, забегая вперёд, отметим, что ядра с дейтериевыми кластерами – явление крайне редкое (как увидим далее)). Т. е. везде, где это возможно, в ядрах формируются кластеры трития, гелия-3 или альфа кластеры, вместо дейтериевых (что значительно облегчает поиск (выбор) правильных конфигураций, для изотопов ядер элементов). Но в ядре бора 8, конфигурация с гало-протоном – реализуется за неимением лучших альтернатив, а именно: т. к. в верхней части ядра – нет места для третьего протона (учитывая, что протоны стремятся располагаться по одну, а нейтроны – по другую сторону ядра, что выгодно для ядер с нечётным числом протонов или/и нейтронов). Это объясняет и высокий спин ядра бора-8 (равный 2).

Заметим, что ядро бора-8 – оказывается аналогично, по структуре, ядру дейтерия (которое рассматривалось ранее). Действительно, ядро дейтерия – обладает аномально высоким радиусом, и также может быть отнесено к гало-ядрам, хотя тип гало (нейтронное или протонное), в нём – не уточняется [20] (т. к. в этом ядре – всего два нуклона). Только на постнеклассическом этапе, можно увидеть, что механизм существования дейтерия как гало-ядра – осуществляется по типу наличия гало-протона, а не гало-нейтрона.

Бор-8, как протоноизбыточный изотоп, претерпевает радиоактивный распад, а именно – b⁺ распад (с которым – встречаемся впервые). Связь протона в ядре бора-8 – немного выше, чем энергия его перехода в базовое состояние вне ядра, что делает распад с вылетом протона – невыгодным; т. о. возможны лишь такие каналы распада как электронный захват или b⁺ распад (которые – конкурируют друг с другом [8]). При b⁺ распаде, протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино. Как и b^– распад, b⁺ распад – процесс медленный (точнее, маловероятный), что объясняет резкое увеличение времени жизни бора-8 (770 мс), по сравнению с соседними изотопами бора (см. табл. 7).

Далее: Бор-9, по структуре – схож с бором-8, однако добавляемый нейтрон – связывает в нём гало-протон, так что он перестаёт быть гало-протоном, и становится прочно связанным в выгодном кластере трития, как показано на рис. 82.

Рис. 82

Причина расположения добавляемого нейтрона не на базовом энергоуровне, а на более высоком – очевидна из ряда причин: это и связывание с нижним протоном, как уже говорилось, превращающее кластер дейтерия в более выгодную, тритиевую структуру, и то, что отдаление кластера трития (из-за квантовой неопределённости положения), благодаря незанятости базового уровня – оказывается запрещено (иначе образуется дырка). (По тому же механизму, было запрещено и отдаление кластера дейтерия в боре-8, что давало некоторую выгоду). Благодаря этому, такие конфигурации ядер бора-8 и -9, наиболее выгодны.

Рассмотрим теперь, с каких изотопов начинается следующий элемент, углерод. Первым протонизбыточным изотопом углерода – является углерод-8, см. табл. 8. Структура его – уже упоминалась ранее, и показана на рис. 83. Как видно, ядро углерода-8 – представляет собой красивую, полностью замкнутую структуру. Забегая вперёд, скажем, что эта красота и замкнутость, обусловлена тем, что в углероде-8 – полностью заполнены первые два энергоуровня для нуклонов (т. е. базовый (= нулевой), и первый). (Энергоуровни в ядрах – будем рассматривать, подробнее, позже).

Таблица 8 ^[8]

Протоноизбыточные изотопы углерода

Рис. 83

Процесс распада углерода-8 – аналогичен распаду, близкого по строению, ядра бериллия-6 (о котором говорилось ранее), и тоже протекает с вылетом двух протонов (табл. 8). Неудивительно, что времена полужизни данных изотопов – также близки (углерод-8 – 3,5×10^–21 сек, бериллий-6 – 5×10^–21 сек).

Дальнейшие протонизбыточные изотопы углерода – не несут особой специфики и большого познавательного интереса, поэтому просто представим их вероятное строение, не вдаваясь в подробности, см. рис. 84. С учётом рассмотренных ранее правил и примеров, можно легко объяснить свойства этих изотопов, и обосновать выгоду образования именно таких конфигураций, какие представлены на рисунке (т. е. обосновать, что это – базовые, а не возбуждённые состояния данных изотопов).

Рис. 84

Переходим, далее, к протонизбыточным изотопам азота:

Азот-10, первый изотоп элемента азота (см. табл. 9) – легко увидеть из аналогии с начальными изотопами лития и бора, т. е. других элементов также с нечётным числом протонов: подобно литию-4 и бору-7, азот-10 – можно представить в конфигурации с нуклонами только по одну сторону от плоскости симметрии, см. рис. 85. Выгода этого (т. е. механизма лития-4), рассматривалась ранее.

Таблица 9 ^[8]

Протоноизбыточные изотопы азота

Рис. 85

Это может объяснить и спин ядра азота-10, равный 2 (хотя в табл. 9 он и заключён в скобки, т. к. ещё не подтверждён, окончательно, в экспериментах). Спин 2 – может показывать, что имеется взаимная противоположность спинов протонов, находящихся в ядре на высоком энергоуровне (о чём уже упоминалось ранее).

Далее: Азот-11 – можно конфигурировать множеством способов, приводящих к спину 1/2, который он имеет. Неудивительно, что у этого ядра существует и изомер, тоже со спином 1/2 (см. табл. 9). Показательно резкое различие времён жизни углерода-10 (19,306 сек) и отличающегося от него всего одним добавленным нуклоном (протоном), азота-11 (550×10^–24 сек): видно, что протон, к углероду-10 – некуда добавлять (без переконфигурации ядра), поэтому образующаяся конфигурация азота-11, очевидно, будет сильно отличаться от углерода-10. Вероятная конфигурация основного состояния азота-11, и одна из конфигураций, претендующих на роль его изомера – показаны на рис. 86.

Рис. 86

Азот-12 – см. на рис. 87. Этот изотоп азота (как и изотопы более тяжёлых элементов) – строится уже без механизма водорода-6. Это можно обосновать тем, что рост числа нуклонов – постепенно снижает квантовую неопределённость положения боковых кластеров, а значит, выгоду от механизма водорода-6. Кроме того, увеличение связанности нейтронов в ядре, из-за роста числа протонов, тоже снижает квантовую неопределённость положения боковых кластеров и нейтронов, а значит, выгоду от механизма водорода-6. В итоге, становится выгоднее переход нейтрона в менее энергетичное (базовое) положение.

Рис. 87

Азот-13 – см. на рис. 88.

Рис. 88

Далее: Первым изотопом следующего элемента, кислорода – является кислород-12, см. табл. 10. Показательно, что неизвестно изотопа кислорода-10, что наглядно объясняется (геометрической) невозможностью добавления одного, а тем более двух протонов, к ядру углерода-8 (см. рис. 83).

Таблица 10 ^[8]

Протонизбыточные изотопы кислорода

Структура протонизбыточных изотопов кислорода – не несёт специфики, и может быть понята из уже рассмотренных изотопов более лёгких элементов: Так, кислород-12 – является аналогом азота-11, о чём свидетельствуют почти одинаковые времена полужизни этих изотопов (азот-11 – 550×10^–24 сек, кислород-12 – > 630×10^–23 сек). Сравнение их строения – показано на рис. 89.

Рис. 89

В обоих изотопах имеется спаривание нейтронов, в частности, в дейтериевых кластерах, и т. о. увеличение связанности протонов с этими нейтронами (подобно тому, как это имело место в бериллии-8). В кислороде-12 – протоны уравновешивают смещение кварковой плотности, производимое друг другом, что как уже говорилось ранее, выгодно, и может объяснять, почему этот изотоп живёт дольше, чем азот-11, несмотря на больший избыток протонов над нейтронами.

Кислород-13 – см. на рис. 90. В своей вероятной конфигурации, ядро кислорода-13, как видно, схоже по строению с азотом-12, что подтверждается почти одинаковыми временами их жизни (11 мс – у азота-12, 8,58 мс – кислород-13), и схожими каналами распада (см. табл. 9 и 10).

Рис. 90

В то же время, имеется огромное различие во временах полужизни изотопов кислорода-12 и кислорода-13 (см. табл. 10). Как видно из рис. 90 – это обусловлено переконфигурацией нуклонов в ядре, приводящей к усилению связи протонов, из-за появления нейтронов в базовом положении, в кислороде-13, и очевидной (из геометрии) невозможностью этого у кислорода-12 (рис. 89), с учётом того, что кислород-12, как и любое ядро с чётным числом (одновременно) и протонов и нейтронов (т. е. чётно-чётное ядро) – должно подчиняться, упоминавшемуся ранее, требованию: иметь симметричные друг к другу, верхнюю и нижнюю части (это осуществимо лишь в конфигурации ¹²O без нейтронов на базовом уровне, = на рис. 89).

Остальные протонизбыточные изотопы кислорода – показаны на рис. 91. На этих изотопах, подробно останавливаться не будем (спины этих изотопов, и выгода представленных конфигураций – могут быть поняты из аналогии с уже рассмотренными изотопами более лёгких элементов). При этом, как видно, кислород-15 – схож по структуре с кислородом-14 (что подтверждается близостью времён жизни этих изотопов, и одинаковыми каналами распада (см. табл. 10)).

Рис. 91

Далее: Первым известным (протонизбыточным) изотопом элемента фтора – является фтор-14, см. табл. 11. Показательно, что неизвестно изотопа фтора-13, хотя последний продолжал бы ряд изотопов предыдущих элементов: литий-4 – бор-7 – азот-10 (эти ядра – имеют одностороннее расположение нуклонов, т. е. механизм лития-4, и рассматривались ранее). Отсутствие фтора-13 – объясняется (геометрической) невозможностью добавления трёх нуклонов (нейтрона и двух протонов), составляющих шаг в представленном выше ряду ядер, к азоту-10 так, чтобы получалось ядро с односторонним расположением нуклонов, см. рис. 92. На рис. видно, что протоны – мешают расположению друг друга геометрически. Хотя это не исключает возможности существования фтора-13 в другой конфигурации, но очевидно, делает это ядро на порядок менее выгодным, чем литий-4, бор-7 и азот-10, объясняя, почему этот изотоп фтора до сих пор неизвестен.

Таблица 11 ^[8]

Протоноизбыточные изотопы фтора

Рис. 92

Фтор-14 (как уже говорилось, первый известный изотоп фтора) – рассмотрим, для удобства, не в основном, а в (первом) возбуждённом (= почти основном) состоянии (со спином 1) [21], т. к. в этом случае, как увидим далее, переход к следующим протонизбыточным изотопам фтора (15 и 16) – проще (не требует переконфигурации нуклонов). Вероятное строение первого возбуждённого состояния ядра фтора-14 – см. на рис. 93. Второе возбуждённое состояние этого ядра, имеющее спин 3 ^[21] – можно представить в виде конфигурации с односторонним расположением нуклонов, см. рис. 94. Как видно, механизм лития 4, при переходе от азота ко фтору – возможен, но требует добавления ещё одного нейтрона (только в этом случае, отсутствуют протоны, мешающие расположению друг друга геометрически).

Рис. 93

Рис. 94

Следующий изотоп фтора, фтор-15 – показан на рис. 95. Малое время жизни этого изотопа (410×10^–24 сек), и распад с вылетом протона – легко понять из представленной на рис., структуры данного ядра.

Рис. 95

Следующий изотоп, фтор-16 – примечателен спином 0, очень редким для ядер с нечётным числом протонов. Вероятное строение ядра ¹⁶F – см. на рис. 96.

Рис. 96

Фтор-17 – показан на рис. 97.

Рис. 97

Особый интерес представляет фтор-18, со спином 1, имеющий изомер со спином 5, вероятная структура которого представлена на рис. 98. В структуре изомера виден механизм лития 4 (все нуклоны сконцентрированы с одной стороны плоскости). Общая выгода от образования изомера (в т. ч. выгодных альфа-кластеров в нём) – частично компенсирует невыгоду от перехода нуклонов на более высокие энергоуровни. Наглядная структура изомера – позволяет видеть, почему фтор-18 может застревать в этом возбуждённом состоянии, делая его квазиустойчивым (разрушение изомера – требует перехода через ряд конфигураций, не отличающихся особой выгодой (лишённых механизма лития-4, и без выгодных альфа-кластеров)). Время полураспада изомера фтора-18, т. е. возвращения в невозбуждённое состояние со спином 1 – 162 нс, что немало, по ядерным меркам времени.

Рис. 98

Далее: Первый изотоп неона – неон-16, см. табл. 12. Он – представлен на рис. 99. Данное ядро – аналогично, по структуре, фтору-16, и поэтому имеет с ним одинаковый спин 0, и схожее время жизни: фтор-16 – 11×10^–21 сек, неон-16 – 9×10^–21 сек. Это время жизни оказывается также схожим с углеродом-8 (3,5×10^–21 сек), и неон-16 действительно можно строить в подобии ему, см. рис. 100.

Таблица 12 ^[8]

Протонизбыточные изотопы неона

Рис. 99

Рис. 100

Далее: Вероятная структура неона-17 – представлена на рис. 101. Как видно на рис., это ядро, по структуре, является аналогом углерода-9. Неудивительно, что в отношении неона-17, как и углерода-9, имеются экспериментальные свидетельства в пользу наличия гало из двух протонов [22] [23]. Исходя из наглядной геометрии, ¹⁷Ne, как и ⁹C, вероятно только приближаются к состоянию гало-ядер (имеют кластер гелия-3 с неспаренным нейтроном).

Рис. 101

Остальные протонизбыточные изотопы неона – см. на рис. 102.

Рис. 102

Неон – элемент, которым заканчивается второй ряд таблицы Менделеева. Т. о. мы рассмотрели все (известные) протоноизбыточные ядра элементов второго ряда таблицы Менделеева (всего 29 изотопов). Этих примеров, вероятно, вполне достаточно, для понимания общих принципов строения протонизбыточных ядер, поэтому таковые ядра, третьего и более далёких рядов таблицы Менделеева – подробно рассматривать не будем.

Далее: Прежде чем переходить к рассмотрению стабильных изотопов элементов, попробуем решить вопрос: