Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 22 страниц)

О сути чётности квантовых состояний

Чётность, на неклассическом этапе – это квантовое число, описывающее поведение элементарных частиц и их систем – ядер, атомов и молекул, при их зеркальном отражении, и которое может принимать два значения: положительное и отрицательное. Так, в таблицах элементарных частиц, и изотопов ядер, рядом со значением спина – всегда указывают и значение чётности (см. например, табл. 12).

Известно явление нарушения чётности = зеркальной симметрии, в некоторых процессах, что впервые было экспериментально показано в опытах Ву и др. (1957 год). В этих опытах, наблюдался b^– распад поляризованных ядер (= ядер с однонаправленными спинами) радиоактивного кобальта. В эксперименте, электроны вылетали преимущественно в одну сторону. В зеркальном же отражении установки, электроны вылетают преимущественно в противоположную сторону, что никогда не наблюдается в реальном Мире. Т. е. зеркальная симметрия для процесса нарушается. А значит, какие-то законы природы не выполняются при инверсии пространства (= при зеркальном отражении). А именно – те, что ответственны за b^– распад, т. е. слабые взаимодействия (поля), в которых пространственная чётность т. о. не сохраняется. Это называется явлением нарушения P-чётности в слабых взаимодействиях (только слабые взаимодействия нарушают чётность, остальные поля – не меняют её).

Впоследствии, было введено представление о сохранении, вместо обычной чётности – т. н. комбинированной чётности (комбинированной симметрии): пришлось представить, что при зеркальном отражении установки, все частицы, по какой-то причине должны переходить в свои античастицы (в т. ч. положительный заряд – в отрицательный). Т. е. в природе наблюдались бы зеркальные процессы, но только если бы установка целиком состояла из антивещества. Т. о. для сохранения симметрии законов природы нужна одновременная инверсия и пространства (P), и заряда (= замена вещества на антивещество) (C), что было названо законом сохранения CP-чётности (или комбинированной чётности (= симметрии)).

На постнеклассическом этапе, причина нарушения зеркальной симметрии (или P-чётности) в опытах Ву и др. – становится понятна, в т. ч. и почему частицы, при зеркальном отражении, переходят в свои античастицы, см. рис. 103. На рис. показаны зеркальные отражения элементарных частиц, с учётом их внутреннего строения (для начала, использованы упрощённые, т. е. проекционные (= плоские) представления частиц).

Рис. 103

Итак, уже из плоских представлений элементарных частиц, наглядно видно, что и электрон, и протон, и нейтрон – переходят в свои античастицы, при зеркальном отражении.

Аналогично, частицы ведут себя и в объёмном представлении, см. рис. 104.

Рис. 104

Итак, это некоторые основы представлений о чётности, на постнеклассическом этапе.

Далее, говоря про чётность, рассмотрим такие явления, связанные с чётностью как: проблема нейтрино, нарушение CP-чётности, и закон сохранения чётности следующего уровня – CPT-чётности:

Проблема нейтрино, т. е. нарушение P-чётности для нейтрино, или почему нейтрино всегда имеет спин –1/2 (вернее, отрицательную спиральность, но о ней – чуть позже), и почему не существует его зеркальное отражение, т. е. нейтрино со спином +1/2, согласно наглядным (постнеклассическим) представлениям – легко объясняется: Как уже рассматривалось ранее, т. к. отличие частиц от античастиц (в т. ч. различие зарядов), согласно наглядным представлениям, обусловлено разным направлением замкнутых движений в частице, т. ч. на магнитной оси, то нейтрино с противоположным направлением замыкания – оказывается антинейтрино. Проведём операцию зеркального отражения нейтрино, см. рис. 105. Из рис. видно, что при зеркальном отражении, нейтрино – очевидно переходит т. о. в антинейтрино.

Рис. 105

При более подробном рассмотрении, следует также учесть, что нейтрино всегда движется со скоростью света, а значит, важен не спин сам по себе, а его проекция на направление движения, или спиральность. Посмотрим, как ведёт себя нейтрино при зеркальном отражении, с учётом направления движения (показано вертикальной стрелочкой), см. рис. 106. Как видно из рис., если направление замыкания, при зеркальном отражении меняется на противоположное, то направление движения не меняется, и наоборот. Очевидно, что частицы в средней части рис. – тождественны, и представляют собой антинейтрино.

Рис. 106

Нарушение CP-чётности, и сохранение CPT-чётности – формулируется как необходимость, для сохранения инвариантности физических законов – производить инверсию не только пространства, с заменой частиц на античастицы (CP-преобразование), но одновременно менять и направление течения времени (T-инверсия). Последняя – есть смена всех движений на противоположные (при этом, изменение внутренних движений, неклассически – не учитывается (т. к. неизвестно), но содержится (кроме спина) в CP-преобразовании, т. е. замене частиц на античастицы). Из сохранения CPT-симметрии – выводится равенство масс, времён жизни и т. п. характеристик частиц и античастиц, что установлено (экспериментально) с высокой степенью точности [24]. (Наглядно, тождественность частиц и античастиц, и противоположность их зарядов – можно увидеть как следствие того, что всё отличие частиц / античастиц – лишь в противоположном направлении движений в них).

Нарушение CP-симметрии (наблюдаемое в распадах K⁰– и B⁰-мезонов) – было в целом объяснено ещё на неклассическом этапе, как вытекающее, в конечном итоге, из наличия трёх поколений элементарных частиц (и обусловленного этим, смешивания кварков в мезонах (детали – опускаем)). Сама же причина наличия поколений элементарных частиц – выясняется лишь на постнеклассическом этапе, и (наглядно) рассматривалась ранее.

Далее:

Чётность квантовых состояний ядер

Ядра (в т. ч. возбуждённые состояния одного и того же изотопа) – могут иметь одинаковые спины, но разный знак чётности. Такие ядра – обязаны иметь различающуюся внутреннюю структуру. Попробуем выяснить связь чётности со структурой ядер, в упрощённом виде (т. е. лишь сравнивая структуры ядер между собой):

Для начала, обратим внимание, что все ядра с чётным числом протонов и нейтронов (= геометрически полностью симметричные, или как уже говорилось, чётно-чётные ядра) – всегда имеют положительную чётность, во всей таблице Менделеева: отрицательные чётности в таких ядрах – взаимно компенсируются («минус, умноженный на минус – даёт плюс»). Пример: если соединить два ядра лития-4 с противоположными спинами и отрицательной чётностью, то получим углерод-8 с положительной чётностью, см. рис. 107.

Рис. 107

Итак, все ядра, симметричные относительно плоскости, делящей ядро на верхнюю и нижнюю части (тут – половины), – обладают положительным знаком чётности.

В отношении ядер, не являющихся чётно-чётными, рассмотрим ряды таких ядер, с последовательным изменением знака чётности при добавлении или удалении нуклонов. Первый подобный ряд ядер – представлен в табл. 13 и на рис. 108. Как видно, при добавлении протона, отрицательные чётности то компенсируют друг друга, то не компенсируют, поэтому чётности соседних ядер – оказываются противоположны. Важно, что переход между ядрами в представленном ряду осуществляется без значимой переконфигурации нуклонов (ядер). Поэтому знак чётности меняется закономерно.

Таблица 13 ^[8]

Ряд ядер, с последовательным изменением знака чётности

Примечание: жирным выделены стабильные ядра (изотопы)

Рис. 108

Небольшие переконфигурации, наблюдаемые в данном ряду – незначимы, т. к. добавляемые нуклоны остаются по одну (дальнюю от нас), сторону ядра. Кроме того, изменения кора (с гелия-3 на альфа частицу, при переходе от ¹¹C к ¹²N, и возможно, от лития 8 к бериллию 9) – не влияют на чётность, т. к. в пределах построения альфа-частицы (от ¹H до ⁴He), чётность неизменна (табл. 1, 2).

Данный ряд мы завершили на азоте-12, т. к. дальнейшее продолжение к кислороду-13 – непоказательно, из-за отсутствия достоверно установленного (экспериментально) значения чётности (и спина) последнего (табл. 10). Однако, можно подтвердить предполагаемую отрицательную чётность этого ядра, т. к. переход к нему – закономерен (не требует переконфигурации), см. рис. 109. Переход же к следующему ядру, фтору-14, очевидно, требует значительной переконфигурации, т. к. протон к ядру кислорода-13 добавлять больше некуда, поэтому чётность ¹⁴F – может не вписываться в данный ряд ядер, т. е. может не меняться, и быть отрицательной (табл. 11).

Рис. 109

Далее: Рассмотрим ещё один, второй ряд ядер: возьмём изотопы, содержащие на два нейтрона больше, чем первый ряд – см. табл. 14 и рис. 110.

Таблица 14 ^[8]

Ряд ядер, с последовательным изменением знака чётности

Рис. 110

В этом ряду, чётность меняется так же периодично, как и в предыдущем ряду.

Начало ряда завершается на боре-12, что можно объяснять значимой переконфигурацией, при переходе к бериллию-11 (с гало-нейтроном [25]), а именно – предпочтением этим ядром конфигурации, показанной на рис. 111-а (с переходом нейтрона в ближнюю часть ядра, и сохранением кора в виде выгодного (почти стабильного) ядра бериллия-10 (о котором – позже)), вместо конфигурации на рис. 111-б (без гало-нейтрона). (Добавлением чётного числа нуклонов, конфигурация бериллия-11 на рис. 111-а, может быть достроена до фтора-19 или неона-19, имеющих такую же положительную чётность (см. табл. 15) и схожее строение, см. рис. 112, что может также свидетельствовать о предпочтении ядром бериллия-11 структуры на рисунке 111-а, и объясняет наличие гало-нейтрона). Далее, из этого, можно показать, что и ядро гелия-9, представленное на рис. 113 – должно обладать положительным знаком чётности, что подтверждается в т. ч. новыми экспериментальными данными [13], и противоречит более ранним данным [21] / ожиданиям из (ненаглядных) теоретических расчётов из трендов [26].

Рис. 111

Таблица 15 ^[8]

Изотопы бериллий-11 и фтор-19

Рис. 112

Рис. 113

С другого конца, ряд заканчивается на кислороде-15, т. к. протон, далее (к ¹⁵O) – некуда добавлять, кроме очевидно маловыгодного положения, в нижней части ядра (см. рис. 110). Поэтому переход ко фтору 16 должен происходить путём существенной переконфигурации. Итак, причина, почему чётность фтора-16 не подчиняется закономерности представленного ряда – также вытекает из геометрии.

Итак, мы рассмотрели два ряда ядер, с периодическим изменением знака чётности.

Теперь, рассмотрим подробнее, как зависит знак чётности ядер от расположения нуклонов с ближней или дальней части ядра: На примерах гелия-9, бериллия-11, фтора-19 и неона-19, а также переходов угдерод-11 – азот-12, и т. п. переходов, можно видеть, что один лишний или отсутствующий нуклон в ближней части ядра – даёт (имеет) положительную чётность; в дальней же части ядра, на примерах гелия-7, углерода-13 и т. п., один добавленный / недостающий нуклон – имеет, наоборот, отрицательную чётность. Чётное число нуклонов, в любой (ближней или дальней) части ядра – имеет положительную чётность.

Итак, мы рассмотрели некоторые, весьма упрощённые, основы чётности ядер, в её связи со структурой ядер. Как видно, чётность привязана к структуре (геометрии) ядер, что можно видеть наглядно.

Строение стабильных ядер

Стабильные ядра (= стабильные изотопы элементов) – широко распространены в окружающем Мире, и ложатся в основу макрообъектов, в то время как нестабильные (протон– и нейтронизбыточные) – не имеют широкого распространения, и в основном получаются искусственно (в ускорителях заряженных частиц, и т. п.), т. к. ограничены, в своём существовании, временем (распадаются в стабильные ядра). Роль стабильных ядер т. о. – оказывается более заметной.

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).

Рис. 119

Стабильные ядра углерода – показаны на рис. 120. В ядре углерода-12 – наполовину заполнены первые энергетические уровни, следующие за базовым, поэтому структура данного ядра – напоминает красивый кристалл, или некую завершённую структуру. (Об энергетических уровнях в ядре – мы ещё будем говорить, позже). Ядро углерода-12 примечательно также тем, что состоит из трёх связанных альфа-частиц, и видно, почему такая структура стабильна (боковые альфа-кластеры – уравновешивают друг друга), в то время как связанное состояние двух альфа-частиц (бериллий-8, в возбуждённом состоянии) – невыгодно, т. к. является неуравновешенным состоянием (см. рис. 117-а). (Основное же состояние бериллия-8 – это что угодно, только не две связанные альфа-частицы: из требования спина 0, для всех чётно-чётных ядер, а значит, их верхне-нижней симметрии, очевидно, что вторая альфа-частица в чётно-чётном изотопе (ядре), бериллии-8 – должна разделиться на два кластера дейтерия, которые расположатся, по одному, в верхней и нижней частях ядра, уравновешивая друг друга; это представляет маловыгодную структуру, но наиболее выгодную, для этого ядра, как уже рассматривалось ранее).

Рис. 120

Далее: В структуре ядра углерода-13, виден (выгодный) кластер бериллия-9, см. рис. 121. Однако основная причина стабильности этого ядра – объясняется невыгодностью b^– распада, который вёл бы к аналогичному по строению, ядру, но в котором нейтрон заменён на протон – азоту-13, в то время как выгоден, как уже отмечалось, наоборот, избыток нейтронов над протонами (компенсирующий рост отталкивания протонов в ядре). Поэтому азот-13 претерпевает b⁺-распад до углерода-13, а последний оказывается стабильным ядром.

Рис. 121

У углерода также имеется почти стабильный нейтронизбыточный изотоп, углерод-14, с периодом полураспада 5,7×10³ лет, показанный на рис. 122. Как видно, для него можно представить две конфигурации (одна из них – может являться возбуждённым состоянием ядра). В первой (наиболее вероятной) конфигурации на рис. 122, нахождение нейтронов на более высоком энергоуровне – выгодно, т. к. препятствует отдалению боковых альфа-частиц от базовой альфа-частицы, и приводит к выгодным кластерам бериллия-9, в структуре ядра. С другой стороны, отдаление боковых альфа-частиц (альфа-кластеров) – уменьшало бы связанность данных нейтронов с протонами базовой альфа-частицы; но как раз этого недостатка – лишена вторая конфигурация на рис. 122, где кроме того, нейтроны расположены на более низком энергетическом уровне.

Рис. 122

Стабильные изотопы азота – см. на рис. 123. Заметим, что азот-14 – один из четырёх стабильных изотопов во всей таблице Менделеева, имеющий нечётное число как протонов, так и нейтронов (нечётно-нечётное ядро). Азот-14 можно представить в качестве аналога ядра лития-6, но только с двумя вклиненными альфа-частицами (при этом, литий-6 – тоже имеет нечётное число и протонов, и нейтронов, и т. о. тоже является одним из нечётно-нечётных стабильных ядер). К последним – относятся, помимо лития-6 и азота-14 – ещё дейтерий и бор-10, которые – также схожи по структуре, и наглядно – различаются между собой и от лития-6/азота-14, одной/двумя/тремя вклиненными альфа-частицами (структуры этих ядер – уже рассматривались ранее).

Рис. 123

Так же как литий-6 и азот-14 схожи друг с другом по структуре, можно провести аналогию и между азотом-15 и литием-7 (различие – в добавленной паре взаимно уравновешенных альфа-кластеров). Но только в азоте-15, один из высокоэнергетичных нейтронов – должен иметь отрицательный спин (что рассматривалось ранее), поэтому общий спин азота-15 (1/2) и лития-7 (3/2) не совпадают.

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 (1,51×10⁶ лет) – оказывается выше, чем у углерода-14 (5,7×10³ 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: