Физические явления, физика, статьи по физике.

Четные количества нейтронов по сравнению с нечетными
легко стабилизируются. Для элементов выше 83, сколько бы ни
было нейтронов, стабильности все равно добиться невозможно.
Однако два элемента этой группы почти стабильные — это торий
и уран, атомные числа которых четные (90 и 92). С другой
стороны, среди всех элементов с атомными числами до 83 только
два вообще не имеют стабильных изотопов. Это технеций и
прометий, атомные числа которых нечетные (43 и 61).
Теперь рассмотрим количество изотопов на элемент. У
21 элемента только один встречающийся в природе изотоп. Из
них только у двух элементов четные атомные числа: у бериллия
(4), у тория (90). У оставшихся 19 элементов атомные числа
нечетные. Есть еще 23 элемента, у которых два встречаю-щихся в природе изотопа. Опять-таки только у двух из них
атомные числа четные: у гелия (2), у урана (92). У оставшихся
21 элемента атомные числа нечетные.
Видимо, при наличии нечетного числа протонов в ядре стабильность
возможна только в случае одного, максимум двух определенных
наборов нейтронов. Только один элемент с нечетным
атомным числом имеет три изотопа — это калий (атомное
число 19). Его изотопы: калий-39, калий-40 и калий-41. Однако
калий-40 все же проявляет слабые радиоактивные свойства
и в природе встречается достаточно редко.
С другой стороны, все элементы (кроме четырех) с четными
атомными числами имеют более двух встречающихся в природе
изотопов, а у олова (атомное число 50) их целых 10. Похоже,
при наличии четного числа протонов в ядре достичь стабильности
настолько легко, что она возможна практически при
любом количестве нейтронов в ядре.
Нейтроны также чаще всего встречаются парами. Наиболее
распространенными изотопами шести элементов, составляющих
98% Земли (см. выше), являются железо-56, кислород-16, маг-
ний-24, кремний-28, сера-32 и никель-58. Содержание протонов
и нейтронов равно 26—30, 8—8, 12—12, 14—14, 16—16 и
28—30. Во всех случаях количество и нейтронов и протонов
четное («четно-четное ядро»).
У элементов с нечетным атомным числом, имеющих лишь
один встречающийся в природе изотоп, ядра этих изотопов содержат
четное количество нейтронов («нечетно-четное ядро»). Например,
фтор-19 (9 протонов, 10 нейтронов), натрий-23 (11 протонов,
12 нейтронов), фосфор-31 (15 протонов, 16 нейтронов) и
золото-197 (79 протонов, 118 нейтронов).
У элементов с нечетным атомным числом, имеющих два встречающихся
в природе изотопа, практически всегда оба изотопа
имеют четное количество нейтронов в ядре. Например, у хлора
есть два изотопа — хлор-35 и хлор-37, — ядра которых состоят
из 17 протонов и 18—20 нейтронов. У меди есть два изотопа —
медь-63 и медь-65, — ядра которых состоят из 29 протонов и
34—36 нейтронов. У серебра есть два изотопа — серебро-117
и серебро-199, — ядра которых состоят из 47 протонов и 60—
62 нейтронов.
У элементов с четным атомным числом, имеющих три и более
встречающихся в природе изотопов, нейтронов обычно больше,
чем у элементов с нечетными атомными числами («четно-нечетные
ядра»). Например, у ксенона 9 встречающихся в природе изотопов,
7 из которых имеют «четно-четные ядра» (ксенон-124, 126,
128, 130, 132, 134 и 136). Количество протонов везде одинаково,

No Comments »

И дело здесь даже не в количестве изотопов. Те или иные
ядерные свойства достигают своего максимума (или минимума)
у элементов, ядра которых содержат магическое число нейтронов
и протонов. Так, изотопы, ядра которых содержат магическое
число протонов или нейтронов, имеют меньшее ядерное
сечение, чем другие, схожие по сложности, элементы.
Гёпперт-Майер объясняла феномен магических чисел существованием
состоящих из протонов и нейтронов нуклонных оболочек,
заполняющихся согласно ядерным квантовым числам.
Магические числа означают полностью заполненные оболочки
(как в случае с электронными оболочками благородных газов).
У «ядерной периодической таблицы» есть целый ряд побед.
С ее помощью удалось определить, какие нуклиды могут существовать
в возбужденном состоянии длительное время, образуя
ядерные изомеры (см. гл. 8). И все же эта модель довольно
противоречива.

No Comments »

Для достижения этого они испускают альфа-частицы, но в
этом случае уменьшается не только количество нейтронов, но и
количество протонов. Нейтроны и протон убывают в равных количествах,
и соотношение п/р растет, поскольку нейтроны и так
содержатся в таких ядрах в избытке. Так, соотношение п/р ура-
на-238 (92 протона, 146 нейтронов) равно 1,59. Если уран-238 для
достижения возможной стабильности испустит 5 альфа-частиц,
он потеряет 10 протонов, а его атомное число уменьшится до 82
(то есть до свинца). Однако он потеряет еще и 10 нейтронов, и его
массовое число упадет на 20 единиц, и уран-238 превратится в
свинец-218 (82 протона, 136 нейтронов), соотношение п/р которого
равно 1,66. При столь высоком соотношении п/р ни о какой
стабильности не может быть и речи. И действительно, свинец-218
обнаружить так и не удалось. Самым тяжелым из известных изотопов
свинца является свинец-214, период полураспада которого
менее получаса.
Для достижения стабильности с понижением атомного веса
должно понижаться и соотношение п/р. Для этого нейтрон превращается
в протон, и происходит излучение бета-частицы. Путем
комбинации альфа- и бета-излучений уран-238 становится
свинцом-206, теряя при этом 10 протонов и 22 нейтрона, то есть
соотношение п/р уменьшается с 1,59 до 1,51.
Совпадения в комбинациях протонов и нейтронов говорят
о том, что структура ядер стабильных элементов формируется
согласно каким-то определенным закономерностям, а не хаотично.
По аналогии с периодической таблицей, основанной,
как выяснилось позже, на существовании электронных оболочек,
некоторые физики пытались объяснить свойства ядер на
основе системы ядерных оболочек.
В 1948 году польский физик Мария Гёпперт-Майер (1906—
1972) развила эту систему. Она обнаружила, что наиболее стабильные
или наиболее часто встречающиеся изотопы, ядра которых
содержат определенное количество нейтронов и протонов.
Это количество называется оболочечным числом или более ярким
термином «магическое число». Нейтроны и протоны имеют числа,
равные 2, 8, 20, 50, 82 и 126.
Например, ядро гелия-4 состоит из 2 протонов и 2 нейтронов,
кислорода-16 — из 8 протонов и 8 нейтронов, кальция-40 —
из 20 протонов и 20 нейтронов. Все эти три изотопа очень стабильны.
Элементом с самым большим количеством стабильных
изотопов является олово, ядро которого содержит 50 протонов.
Также существуют 6 встречающихся в природе изотопов, ядра
которых имеют 50 нейтронов (сюда относится и слаборадиоактивный
рубидий-87). Есть еще 7 стабильных изотопов, ядра

No Comments »

Когда перед глазами весь список изотопов — стабильных и
нестабильных, — можно сделать определенные утверждения о
структуре ядра.
Для начала возьмем атом, ядро которого состоит из одного
лишь протона. Получим атом водорода-1. Ядро не может содержать
больше одного электрона, если в нем нет нейтронов.
Среди элементов с маленькими атомами стабильные ядра состоят
из равного или почти равного количества протонов и
нейтронов. Так, у ядра водорода-2 1 протон и 1 нейтрон, угения-4 — 2 протона и 2 нейтрона, у углерода-12 — 6 протонов
и 6 нейтронов, у кислорода-16 — 8 протонов и 8 нейтронов,
у серы-32 — 16 протонов и 16 нейтронов, у кальция-40 —
20 протонов и 20 нейтронов.
Дальше ситуация меняется. Стабильные ядра всех элементов
тяжелее кальция-40 содержат больше нейтронов, чем протонов,
причем чем выше массовое число, тем больше дисбаланс
между нейтронами и протонами. Так, ядро наиболее
распространенного изотопа железа — железо-56 — состоит из
26 протонов и 30 нейтронов, то есть соотношение нейтронов
и протонов (п/р) равно 1,15. Ядро наиболее распространенного
изотопа серебра — серебро-107 — состоит из 47 протонов и
60 нейтронов, соотношение п/р равно 1,27. Ядро единственного
стабильного изотопа висмута — висмута-209 — состоит из
83 протонов и 126 нейтронов, соотношение п/р равно 1,52.
Ядро наиболее тяжелого из встречающихся в природе изотопов
урана — урана-238 — состоит из 92 протонов и 146 нейтронов,
то есть соотношение п/р равно 1,59.
Очевидно, что чем больше протонов содержится в ядре, тем
больше избыточных нейтронов необходимо для поддержания
стабильности ядра. (Хотя конечно же слишком большой избыток
нейтронов — это так же плохо, как и их недостаток.)
Понятно, что существование парных протонов оказывает на
ядро стабилизирующий эффект. Из всех атомных ядер, состоящих
из более чем одного нуклона, ядра с парными протонами
(имеющие четное атомное число) более распространены во Вселенной.
98% нашей планеты (как коры, так и внутренней ее
части) состоит из 6 основных элементов: железа, кислорода,
магния, кремния, серы и никеля. Атомные числа этих элементов
соответственно 26, 8, 12, 14, 16 и 28. Как вы видите, все четные.

No Comments »