Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 22 страниц)

О строении ядер элементов 5-го ряда таблицы Менделеева

Элемент криптон, как уже говорилось, завершает 4-й ряд таблицы Менделеева, и далее – начинается 5-й ряд элементов, см. табл. 33. Ядра (изотопы) элементов пятого ряда – строятся, в общем, аналогично ядрам, рассматривавшимся в предыдущей главе. Там мы шли от криптона к более лёгким ядрам чётных элементов (селена, германия, цинка, никеля), а теперь – пойдём в другую сторону, от криптона к более тяжёлым ядрам, тоже чётных элементов, для начала – первых пяти (стронций, цирконий, молибден, рутений, палладий (см. табл. 33)).

Таблица 33

Первые пять рядов таблицы Менделеева

Итак, первый элемент 5-го ряда таблицы Менделеева, стронций – имеет наиболее энерговыгодный изотоп, стронций-88, см. табл. 34 и рис. 157. К этому изотопу мы приходим – путём добавления двух протонов к криптону-84. Эти протоны, в ядре стронция – образуют кластеры трития, выгодно связывая два дополнительных нейтрона, т. о. получается стронций-88, как наиболее энерговыгодный изотоп (криптон-84 также был наиболее энерговыгодным).

Таблица 34 ^[18]

Изотоп стронция, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему

Рис. 157. Ядро стронция-88 (развёрнуто так, что лучше видна трансляционная симметрия)

Важно также учесть, что в какое бы положение мы ни добавили протоны к ядру криптона-84, дополнительная связь возникает, максимум, только с двумя, а не с четырьмя нейтронами, см. рис. 158. Причина – видна в наглядной геометрии (см. рис. 158).

Рис. 158

Наиболее энерговыгодный изотоп следующего элемента, цирконий-90 – показан на рис. 159, см. также табл. 35. В этом изотопе – вообще не происходит дополнительного связывания нейтронов, т. к. протоны добавляются в положение, где лучше связывают нейтроны кластеров трития, что оказывается более выгодно (см. рис. 159 и табл. 35).

Рис. 159

Таблица 35 ^[18]

Изотоп циркония, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему

Следующий элемент, молибден, имеет наиболее сильно связанный изотоп, молибден-94, см. табл. 36 и рис. 160. Вообще, протоны можно было бы добавить и иначе – в одно из трёх альтернативных положений, вместо представленного на рисунке 160, – см. на рис. 161. Однако, в любом из этих мест, как видно, эффективно связывались бы всё равно только два дополнительных нейтрона.

Таблица 36 ^[18]

Изотоп молибдена, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему

Рис. 160

Рис. 161

Впрочем, возможность эффективно связать четыре или даже шесть нейтронов, тут всё-таки имеется, – если повернуть альфа-кластер (образовавшийся из кластера трития), в соответствии с трансляционной симметрией, см. рис. 162. Но это представляется менее выгодным (требует значительной асимметрии ядра, с переходом нуклонов на более высокие энергоуровни, и более слабо связывает нейтроны), чем добавление протонов с образованием новых кластеров трития, в левой (или дальней) части ядра, как было показано на рис. 160. Возможность непосредственного связывания четырёх и шести нейтронов – проявляется лишь в стабильности изотопов молибдена-96 и -98, см. табл. 37. Дополнительно к этому, переход протона из маловыгодного 3d-положения (как в последних стабильных изотопах элементов второй половины 4-го ряда таблицы Менделеева, которые рассматривались ранее) – объясняет (практическую) стабильность и молибдена-100, – последнего стабильного изотопа этого элемента (см. табл. 37).

Рис. 162

Таблица 37 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), молибдена

Далее, переходим к наиболее выгодному изотопу элемента рутения, – рутению-98, см. табл. 38. Можно было бы ожидать, что самым энерговыгодным может быть рутений-96, как аналогичный цирконию-90, см. рис. 163. Однако учтём, что в случае рутения-96, протоны уже два раза добавлялись без дополнительного прибавления нейтронов (при переходе от стронция-88 к цирконию-90, и от молибдена-94 к рутению-96), что даёт некоторую протоноизбыточность и стремление связать ещё нейтроны. Эта возможность может реализоваться уже путём перехода части протонов, например, из дальнего, в ближнее положение, как показано на рис. 164. Из табл. 38 видно, что изотопы рутения-98 и рутения-100 – имеют ничтожные различия по энергии (можно сказать, оба являются наиболее энерговыгодными), а при переходе к рутению-102 – энергия связи несколько падает (альфа-кластер связывает уже целых три нейтрона, что хотя уже и снижает энергию связи, но оставляет ядро стабильным, см. табл. 39).

Таблица 38 ^[18]

Изотопы рутения, с наибольшей энергией связи, и смежные к ним

Рис. 163

Рис. 164

Таблица 39 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), рутения

Далее: Наконец, рассмотрим строение наиболее энерговыгодного изотопа следующего элемента, – палладия-104, см. табл. 40 и рис. 165. На рис., нейтроны в ближней части ядра – компенсируют возросшее электрическое отталкивание протонов, и т. о. становятся более выгодными, чем в аналогичном ядре, рутении-102.

Таблица 40 ^[18]

Изотоп палладия, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему

Рис. 165

Итак, мы рассмотрели наиболее энерговыгодные изотопы чуть более чем половины (чётных) элементов 5-го ряда таблицы Менделеева (см. табл. 33), усмотрев причину наибольшей энерговыгодности этих изотопов – в том же, в чём и для ядер элементов второй половины 4-го ряда элементов (= в числе непосредственно и выгодно связываемых нейтронов, без перехода 3d– или 3sp-протонов на более высокие энергоуровни). Также мы рассмотрели некоторые (другие) стабильные изотопы этих элементов (1/2 5-го ряда).

Далее – подробнее остановимся на последних стабильных изотопах этих элементов:

Так, для стронция, последний стабильный изотоп – совпадает с наиболее энерговыгодным, т. е. стронцием-88 ^[8] (уже рассматривался ранее (рис. 157)). Далее – следует нестабильный = радиоактивный изотоп, стронций-90, с относительно высоким (28,79 лет [8]) временем жизни, существующий благодаря переходу протонов из 3d-положения, как показано на рис. 166. Как видно, вместо кластера трития – в альтернативной конфигурации, может образоваться альфа-частица, к которой может присоединиться только один нейтрон, т. к. она не может повернуться наружу (как того требует трансляционная симметрия), из-за отсутствия протонов в положении, аналогичном расположению 1s-альфа-частицы (см. рис. 166). Из-за невозможности поворота альфа-кластера, изотоп стронций-90 – оказывается последним в ряду изотопов с высоким временем жизни, у стронция. В целом, нестабильность стронция-90 можно понять из того, что переход протона из 3d-положения в наиболее выгодное более высокое – вообще не приводил бы к связыванию дополнительных нейтронов, как видно из рис. 167. (Как видно на рис., перешедшие из 3d-альфы протоны лишь усиливают связь имеющихся нейтронов кластеров трития, в дальней части ядра).

Рис. 166

Рис. 167

У следующего элемента, циркония, переход протонов из 3d, в положение аналогичное 1s (вблизи) – позволяет альфа-частице, развернуться наружу, и эффективно связать ещё три нейтрона, см. рис. 168. Это объясняет, почему ряд стабильных изотопов циркония, в отличие от изотопов стронция, – продолжается далеко за наиболее энерговыгодный, цирконий-90, см. табл. 41.

Рис. 168

Таблица 41 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), циркония

Далее: Строение последнего стабильного изотопа следующего за цирконием элемента, молибдена – уже рассматривалось ранее (упоминавшийся, ¹⁰⁰Mo), поэтому переходим сразу к последнему стабильному изотопу элемента, расположенного далее, т. е. рутения: это – рутений-104, см. табл. 39 и рис. 169.

Рис. 169

Можно провести некоторую аналогию между возможностью перехода протонов из 3d-положения (при образовании рутения-104), и электронной конфигурацией рутения: несмотря на то, что 5s электронная оболочка должна заполняться раньше 4d, более энерговыгодным, согласно наблюдениям, оказывается переход электрона с 5s– на 4d-оболочку, т. е. с образованием электронной конфигурации атомов рутения 5s¹4d⁷, вместо 5s²4d⁶ [27].

Аналогичные процессы имеют место и в ядре (т. е. иногда оказывается, что взаимодействия между нуклонами, делают более энерговыгодным нахождение некоторых нуклонов на более высоких энергоуровнях, что мы неоднократно видели, в т. ч. на примере гораздо более лёгких ядер (вплоть до изотопов водорода)).

Далее: Наконец, рассмотрим строение последнего стабильного изотопа следующего элемента, палладия-110, см. табл. 42 и рис. 170. Этот изотоп отличается от последнего стабильного изотопа предыдущего элемента, рутения-104, на целых четыре нейтрона, что объясняется возможностью поворота образуемого альфа-кластера наружу, благодаря двум добавленным протонам (рис. 170).

Таблица 42 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), палладия

Рис. 170

В строении палладия 110 – также проведём некоторую аналогию со строением атомов этого же элемента. В атомах палладия, оказывается более энерговыгодным переход всех (двух) электронов с 5s-оболочки (которая должна заполняться раньше 4d) – на 4d-оболочку, с образованием электронной конфигурации 5s⁰4d¹⁰, т. е. полностью заполненного 4d-энергоуровня, вместо 5s²4d⁸ [27]. Т. о. палладий имеет полностью заполненную 4d электронную оболочку, хотя и не является последним 4d-элементом. В некоторой аналогии с этим, в изотопе палладий-110 (как и многих других), нет альфа-частицы 3d-уровня, а протоны переходят на более высокие энергоуровни (что оказывается выгодно, в т. ч. благодаря связыванию дополнительных нейтронов).

Итак, мы рассмотрели, на ряде примеров, наглядное строение ядер тяжёлых элементов пятого ряда таблицы Менделеева. Полученные из простейших соображений, варианты структур ядер и переходов между ядрами, как видно – объясняют различные свойства ядер 5-го ряда элементов (включая времена жизни, энергии связи, способность ядер эффективно связывать то или иное число нейтронов).

Далее:

О строении ядер f-элементов

Рассмотрим ещё более тяжёлые ядра, т. н. f-элементов, или лантаноидов, расположенных в 6-м ряду таблицы Менделеева, см. табл. 43.

Таблица 43

Первые шесть рядов таблицы Менделеева (примечание: в отдельную строку внизу – вынесены лантаноиды (f-элементы))

Первый чётный f-элемент – церий. Возможное строение ядра последнего стабильного изотопа этого элемента, церия-142 – показано на рис. 171, см. также табл. 44.

Рис. 171

Таблица 44 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), церия

В предполагаемой конфигурации ядра церия-142, на рис. 171, протоны из альфа-частиц 3d и 3sp, не задействованных в связывании других альфа-кластеров – перешли на периферию ядра, на более высокие энергоуровни, где могут связать дополнительные нейтроны. На месте же ушедших протонов – остались нейтроны, связанные непосредственно с альфа-частицами, и нейтроны, зажатые между непосредственно связанными нейтронами, т. е. связанные в два шага (см. рис. 171). Зажатые нейтроны, в столь тяжёлом ядре, содержащем почти полторы сотни нуклонов – оказываются стабилизированы, т. к. образующийся т. о. нейтронный мост – препятствует стремлению ядра к спонтанному делению (разрыву ядра электрическим отталкиванием протонов). Этот нейтронный мост, в центральной части ядра, и два аналогичных моста ближе к периферии (рис. 171), «как клей», связывают центральную и периферические части ядра, что выгодно. Связанные в мостах, нейтроны, и приводят к тому, что ядро церия-142 – содержит на целых 26 нейтронов больше, чем протонов, и при этом оказывается (практически) стабильным.

Далее, возможно добавление ещё по два нейтрона, в два положения, где они всё ещё могут быть связаны непосредственно, см. рис. 172. Т. о. сперва получаем церий-144, с относительно высоким (в т. ч. повышенным, в сравнении с соседним нечётным изотопом), временем жизни – около одного года, см. табл. 45. Добавление двух нейтронов и в ближнюю часть ядра (рис. 172) – тоже даёт ядро с повышенной стабильностью, – церий-146 (табл. 45).

Рис. 172

Таблица 45 ^[8]

Периоды полураспада первых изотопов церия, следующих за последним стабильным

В ядре церия, обратим внимание на экономность расположения альфа-частиц: в центральных областях ядра, нет ни одного альфа-кластера, который бы не служил местом прикрепления другого альфа-кластера. Иными словами, нельзя ни одну альфа-частицу изъять, чтобы ядро не распалось на две части. Все альфа-частицы в ядре, как видно – абсолютно необходимы, т. е. число их – минимально необходимое (протоны от остальных, как уже говорилось – перешли на периферию ядра, для связывания дополнительных нейтронов, а также снижения электрического отталкивания, за счёт увеличения расстояния между протонами в ядре).

На рис. 173 – показано направление связи альфа-частиц в ядре. Т. о. виден как бы скелет ядра, состоящий из сильно связанных друг с другом, альфа-частиц. (В органических молекулах – есть похожее явление, и там тоже говорят о структурном скелете, но состоящем из атомов углерода (т. н. углеродный скелет молекулы)).

Рис. 173

На рис. 174 – показаны альтернативные конфигурации ядра церия-142. Конфигурация на рис. 174-б – очевидно снижает электрическое отталкивание между протонами периферических кластеров и ядром в целом, т. к. располагает их дальше друг от друга, что представляется выгодным.

Рис. 174

Далее: Рассмотрим следующий чётный элемент, неодим. Последний (практически) стабильный изотоп этого элемента, неодим-150 ^[8], можно построить, как показано на рис. 175.

Рис. 175

Неодим-150 – содержит на 30 нейтронов больше, чем протонов, и в конфигурации на рис. 175-а, в нём можно видеть четыре нейтронных моста. Вообще, ядро может связать и гораздо больше нейтронов: см. например, неодим-160, на рис. 176, см. также табл. 46. На рис. видно, что в два шага, ядро неодима, (геометрически) связывает 40 нейтронов сверх протонов (и фактически, может связать ещё больше, – в «два с половиной» или три шага (пример: ¹⁶¹Nd, табл. 46)). Наглядная геометрия ядра, как видно – определяет возможности ядра по связыванию нейтронов.

Рис. 176

Таблица 46 ^[8]

Последние известные (чётный и нечётный) изотопы неодима

Далее: Рассмотрим следующий (чётный) f-элемент – самарий. Последний его стабильный изотоп, самарий-154 ^[8] – связывает столько же нейтронов, сверх протонов, сколько и аналогичный изотоп предыдущего элемента, неодим-150 (в то время как при переходе от церия к неодиму, неодим связывал на 4 нейтрона (сверх протонов) больше, чем церий). Это можно объяснить добавлением протонов, при образовании самария-154 – без появления нового нейтронного моста (он уже образован), притом в дальнюю часть ядра (где имеется относительный недостаток протонов из-за их перехода в ближнюю (= правую) часть), см. рис. 177. Это – несколько восстанавливает симметрию ближней и дальней частей ядра, хотя в целом, ядро ещё остаётся сильно асимметричным (в то время как ядро церия-142 было симметричным).

Рис. 177

У следующего элемента, гадолиния, можно предполагать добавление протонов, наоборот, в ближнюю часть ядра, с переходом протонов из дальней части, и образованием выгодных уравновешенных кластеров трития в ближней и дальней частях ядра, см. рис. 178. Благодаря этому, последний стабильный изотоп этого элемента – эффективно связывает на четыре нейтрона больше самария-154, – это гадолиний-160 ^[8] (рис. 178). Аналогичный результат, впрочем, можно получить и добавив протоны, наоборот, в дальнюю часть ядра (альтернативная конфигурация), см. рис. 179.

Рис. 178

Рис. 179

Следующий f-элемент, диспрозий, также можно получить, добавляя протоны двояко, см. последний его стабильный изотоп – диспрозий-164 ^[8], на рис. 180. В осуществлении выбора между различными возможными конфигурациями ядер, может помочь наблюдение (измерение) значений электрических квадрупольных моментов ядер, о чём, подробнее – позже.

Рис. 180

Итак, мы прошлись по вероятному строению ядер f-элементов, от первого элемента, церия, к элементу, расположенному в середине ряда f-элементов, гадолинию, и чуть далее, к диспрозию. Данных примеров, вероятно, вполне достаточно, для некоторого общего представления, хотя тут всё ещё сильно упрощено.

Далее, обратим внимание на то, что из представленных ядер, наибольшей симметрией между ближней и дальней частью ядра, обладал элемент церий, вернее, последний его стабильный изотоп, церий-142 (см. рис. 171). В этом, ядро церия-142 – оказывается схоже с ядром палладия-110 (рис. 170). При этом, у элемента церия, как и у элемента палладия – наблюдается минимальное число стабильных изотопов, по сравнению с соседними элементами – см. табл. 47 и 48. Причина этого минимума, очевидно – связана с симметрией.

Таблица 47 ^[8]

Число стабильных изотопов и изотопов с периодами полураспада более 13,8 млрд лет, а также изотопов с временем полураспада более года, у церия и смежных чётных элементов

Таблица 48 ^[8]

Число стабильных изотопов и изотопов с периодами полураспада более 13,8 млрд лет, а также изотопов с временем полураспада более года, у палладия и смежных чётных элементов

Следует смотреть, однако, не только на само наличие симметрии ядра, но и на её качество: так, у церия-142 – видно, что периферические части ядра – как бы перегружены протонами, и т. о. отнять от этого ядра (без потери ядром стабильности), можно только очень малое число нейтронов (см. табл. 44).

В противоположность церию-142, последний почти стабильный и симметричный изотоп элемента олова, олово-126 (см. табл. 49) – оказывается, наоборот, перегружен нейтронами, см. рис. 181. Как видно, на периферии этого ядра располагаются уравновешенные кластеры трития, т. о. олово-126 эффективно связывает, суммарно, столько же нейтронов сверх протонов, сколько и гораздо более тяжёлый, церий-142. Поэтому нейтроны от ядра олова-126 можно легко и долго отнимать (см. табл. 49). В итоге, можно объяснить, почему у элемента олова – самое большое число стабильных изотопов, среди всех элементов в таблице Менделеева – 10 (табл. 49).

Таблица 49 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), а также изотопы с временем полураспада более года, олова

Рис. 181

Строение последних стабильных ядер элементов, расположенных между церием и оловом – показано на рис. 182. (Эти элементы – предшествуют f-элементам, и являются элементами второй половины 5-го ряда таблицы Менделеева, и начала 6-го ряда (барий), см. табл. 43).

Рис. 182

Идём далее:

О строении самых тяжёлых ядер

Рассмотрим строение ядер элементов конца 6-го – начала 7-го рядов таблицы Менделеева, т. е. последних рядов этой таблицы, см. табл. 50.

Таблица 50

Таблица Менделеева (примечание: в отдельные строки внизу – вынесены лантаноиды (f-элементы) и (ниже) актиноиды (тоже f-элементы))

Начнём с такого примечательного элемента как свинец: Свинец – известен тем, что это последний тяжёлый элемент, у которого ещё имеются стабильные изотопы. Следующие за ним, элементы – полоний, радон, и все остальные (кроме тория (Th)), до самого конца таблицы Менделеева – не имеют стабильных / практически стабильных изотопов, т. е. являются в высокой степени радиоактивными.

Вероятное строение изотопов свинца-200 и -202, имеющих максимальную энергию связи среди изотопов свинца (см. табл. 51) – представлено на рис. 183. Как видно, на периферии самого энерговыгодного ядра, свинца-202, имеются кластеры трития, дающие эффективное связывание нейтронов, уравновешиваемых ими. Всего, в ядре свинца-202, эффективно связано – на 38 нейтронов больше, чем имеется протонов в ядре. Наглядная геометрия ядра соответствует именно такой способности ядра к связыванию нейтронов, т. е. все нейтроны тут связаны непосредственно, или в выгодных кластерах трития и в составе нейтронных мостов.

Таблица 51 ^[18]

Изотопы свинца, с наибольшей энергией связи, и смежные к ним

Примечание: в скобках – значения без округления

Рис. 183

Далее, обратим внимание, что свинец-202, несмотря на максимальную энергию связи – не является стабильным ядром, а оказывается протонизбыточным, см. табл. 52. Дело в том, что для стабилизации ядра – необходимо ещё больше нейтронов, но из структуры свинца-202 на рис. 183, видно, что дополнительные (т. е. добавляемые далее), нейтроны – уже не могут быть связаны непосредственно или в выгодных кластерах и мостах. Поэтому наиболее энерговыгодное ядро – оказывается вытеснено в область протоноизбыточных ядер.

Таблица 52 ^[8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×10¹⁰ лет), а также изотопы с временем полураспада более года, свинца

Далее, идём от свинца-202, к наиболее энерговыгодному изотопу следующего элемента, полония – полонию-206 ^[18], см. рис. 184. Как видно, в этом ядре, на периферии, с одной стороны ядра – оказывается альфа-частица, что означает рост протонизбыточности. Роста же числа выгодно связываемых нейтронов – не наблюдается (вернее, связывается, дополнительно, столько же нейтронов, сколько и протонов, т. е. два, а значит, избыток нейтронов над протонами – не растёт, оставаясь на уровне 38 нейтронов). Нагромождение альфа-частиц в ближней части ядра – поддерживается одним нейтронным мостом, возможности которого стабилизировать эту часть ядра – весьма ограничены. Неудивительно, что у полония – нет стабильных изотопов, а наиболее долгоживущие имеют период полураспада считанные годы, см. табл. 53 и рис. 185.

Рис. 184

Таблица 53 ^[8]

Наиболее долгоживущие изотопы полония

Примечание: жирным выделены изотопы с временем полураспада > 1,38×10¹⁰ лет

Рис. 185

Для следующего элемента, радона – то же самое, что и у полония-206, наблюдается уже с обеих сторон ядра: это видно на примере наиболее энерговыгодного изотопа, радона-210 ^[18], показанного на рис. 186.

Рис. 186

А наиболее стабильный изотоп радона, радон-222 – живёт уже всего около четырёх дней [8], и в отличие от изотопов полония, далеко отстоит в ряду изотопов, от наиболее энерговыгодного, радона-210 (в то время как для полония, наиболее долгоживущие изотопы (208, 209), соседствовали с наиболее энерговыгодным (206)). Вероятной простой причиной этому – является начало формирования у радона нового нейтронного моста на периферии ядра. Рассмотрим это подробнее:

Из табл. 54 видно, что от радона-210 до радона-222 – наблюдается сначала спад стабильности ядер (радон-212, -214), а затем рост стабильности, начиная с радона-216. Действительно, радон-216 может иметь хоть слабый, но новый нейтронный мост, см. рис. 187. Этот мост – очень слабый, т. к. нейтроны в нём связаны в два шага, а средний нейтрон – зажат в положении «два с половиной» шага (что было бы равно трём шагам, в отсутствие моста).

Таблица 54 ^[8]

Изотопы радона – от наиболее энерговыгодного, до наиболее стабильного

Рис. 187

Далее, нейтроны связываются уже в дальней части ядра, что даёт радон-218, -220, и наконец, радон-222, см. рис. 187. Как уже отмечалось, радон-222 – наиболее стабильный изотоп радона, но имеет время полураспада около четырёх дней, что соответствует структуре ядра со слабым, а не сильным, нейтронным мостом.

У элементов, следующих за радоном (и относящихся уже к 7-му (последнему) ряду таблицы Менделеева), – радия и тория, стабильность значительно растёт, что связано с постепенным превращением слабого нейтронного моста в обычный, за счёт добавляемых протонов. Рассмотрим это, подробнее:

Наиболее стабильный изотоп радия, радий-226 ^[8] – получается из наиболее стабильного, радона-222 – добавлением протонов в слабый нейтронный мост, см. рис. 188. Это добавление протонов – делает нейтронный мост почти полноценным. А образующиеся, при этом, кластеры трития, развёрнутые наружу – способны эффективно связать ещё пару дополнительных нейтронов, т. о. имеем радий-226, как наиболее стабильный изотоп (период полураспада – 1600 лет [8], что на порядки больше, чем у наиболее стабильного изотопа радона-222 (3,8235 дней)).

Далее, рассмотрим наиболее стабильные изотопы тория (табл. 55):

Торий-228, с временем полураспада 1,9116 года – получается добавлением протона в новый нейтронный мост радия-226, что наконец, превращает этот мост в сильный (хотя и увеличивает протоноизбыточность, для данного изотопа), см. рис. 189.

Рис. 188

Таблица 55 ^[8]

Наиболее долгоживущие изотопы тория

* в сумме (²⁴Ne + ²⁶Ne)

Рис. 189

Для ядра тория-228 свойственно явление кластерного распада, с вылетом кластера – ядра кислорода-20, см. табл. 55. Рассмотрим вероятный механизм этого явления:

На рис. 190 показано, как протон может, «виртуально» (временно), менять своё положение в ядре, в т. ч. создавать ситуацию расположения альфа-частицы на кластере трития, что запрещено в основном состоянии. Такой «виртуальный» переход протонов, показанный на рис., может происходить в верхней или нижней части ядра, или в обеих частях одновременно. В последнем случае – возможен распад, т. к. альфа-частицы периферийной области ядра, оказываются располагающимися на кластерах трития (что запрещено) и т. о. периферийная область ядра становится слабо связанной с остальным ядром, и может вылетать в виде кластера ²⁰O (рис. 190).

Рис. 190

Обратим внимание, что в итоге кластерного распада тория-228, образуется ядро свинца-208 (табл. 55), с выгодными кластерами трития на периферии (рис. 190).

Далее, по аналогии, можно рассмотреть и кластерный распад ядер предыдущего элемента, радия: Для ядер радия-221, -222, -223, -224 и -226, – экспериментально обнаружен кластерный распад с вылетом ядер углерода-14, см. табл. 56.

Таблица 56 ^[8]

Известные кластерные распады ядер радия

Механизм кластерного распада ядер радия легко представить аналогичным таковому для тория-228. Однако в связи с тем, что новый нейтронный мост в изотопах радия содержит меньше протонов, переход протонов, приводит к вылету более лёгкого кластера (= углерода, а не кислорода), см. рис. 191. На рис., на примере распадов радия-222–226, видно, что после вылета кластера углерода, остаётся, как и в случае распада тория-228, выгодное ядро свинца (= как уже говорилось, последнего элемента, имеющего стабильные изотопы).

Рис. 191

На примерах кластерного распада ядер радия и тория – видно, что наиболее слабым местом в ядре – оказывается альфа-частица, аналогичная невыгодной альфа-частице 3d-энергоуровня (т. е. пересекаемая плоскостью симметрии). Именно она и уходит из ядра, вместе с нуклонами, расположенными за ней.

При этом, также нужно заметить, что конец остающегося ядра – получается выгодным (с кластером трития), а само ядро (свинца) – оказывается в основном состоянии, или близком к основному, что подтверждается экспериментально, и характерно для кластерного распада, т. е. вылетающие кластеры – уносят всю или почти всю энергию распада [29].

Вернёмся теперь к наиболее стабильным изотопам тория, продолжим их рассмотрение (а также разбор кластерного распада, на их примере): На рис. 192 – показано вероятное строение ядра тория-230. Нейтроны периферических областей ядра, в нём можно было бы располагать по-разному, но мы их расположили чуть больше (на два) с дальней стороны ядра, т. к. нейтронного моста там давно не было.

Рис. 192

В целом, ядро тория-230 получается из ядра тория-228, путём прибавления нейтронов, указанных на рис. 193. В результате, происходит переход протонов из дальней части ядра, для более эффективного связывания этих нейтронов, и нейтронов, расположенных напротив их (при этом образуется кластер трития (рис. 192)).

Рис. 193

Такая структура ядра – как раз соответствует кластерному распаду данного ядра с испусканием кластеров более тяжёлого элемента, неона (а не кислорода), см. табл. 55 и рис. 194.

Рис. 194

Наконец, рассмотрим наиболее стабильный изотоп тория, торий-232, имеющий время полураспада 1,4×10¹⁰ лет (самое высокое среди всех изотопов элементов, расположенных за свинцом). Время жизни тория-232 – несколько превышает возраст окружающего Мира (примерно 1,38×10¹⁰ лет), т. о. этот изотоп является практически стабильным. Возможное строение этого ядра – показано на рис. 192.

Далее: Благодаря представлению о слабых местах в ядре, можно подойти к пониманию и такого канала распада, как спонтанное деление, которое также свойственно в т. ч. ядрам тория (см. табл. 55).

При спонтанном делении, исходное ядро – разделяется на две части, но в отличие от кластерного распада, меньшая из частей – много более массивна. (При этом вылетает ещё некоторое количество «лишних» нейтронов, в т. ч. могущих запускать цепную реакцию, уже индуцированного, деления других ядер).

При спонтанном и индуцированном делении ядер – выделяется самая большая энергия, в сравнении с другими видами распада, т. к. дочерние ядра – имеют значительно большую энергию связи + состоят из большого числа нуклонов.

В качестве конкретного примера этого канала распада, рассмотрим индуцированное деление ядра урана-235, – изотопа элемента, следующего за торием (табл. 50):

Экспериментально установлено, что при бомбардировке т. н. тепловыми (= низкоэнергетичными) нейтронами, ядро урана-235 – легко претерпевает деление на ядра более лёгких элементов, чаще всего – ксенона и стронция, чуть реже – теллура и циркония [30]. Ещё реже – образуются пары различных соседних (к вышеназванным элементам), чётных или нечётных, элементов таблицы Менделеева.

На рис. 195 – показан вероятный механизм (индуцированного) деления ядра урана-235 (для удобства, вместо урана-235, представлено ядро образующегося, при поглощении нейтрона, урана-236 (чётного изотопа)). Видно, что разделение может происходить в одном из слабых мест, по аналогии с механизмом кластерного распада.

Рис. 195

Далее можно учесть возможность перетекания (перехода) протонов уже сформировавшихся кластеров (например, Xe и Sr) – на периферию ядра (что делает более эффективным электрическое отталкивание частей ядра, и уменьшает их сильное взаимодействие (образуется нейтронная перемычка, которая далее разрывается)).

В целом, чёткой границы между спонтанным делением, кластерным распадом и альфа-распадом – нет (в т. ч. по механизму (для альфа-распада, механизм рассматривался на примере ⁸Be, но подробнее о нём – ещё поговорим, позже)).

Далее: В продолжение рассмотрения строения ядер самых тяжёлых элементов таблицы Менделеева – рассмотрим наиболее энерговыгодные изотопы элементов, следующих за ураном (т. н. трансурановых элементов (см. табл. 50)).