Основные состояния ядер стабильных изотопов от H до Ne
Критерием для определения основного состояния является совпадение экспериментальных и теоретических значений параметров ядра. Будем искать такие изомерные состояния, у которых вычисленный механический момент будет совпадать с экспериментальным значением. Момент количества движения ядра будем вычислять как его проекцию на ось симметрии. Это будет просто арифметическая сумма проекций орбитальных (l) и спиновых (s) моментов составляющих ядро нуклонов с учетом их знака. Спиновый момент нуклона s=1/2 и имеет положительный знак, если направление спина совпадает с направлением вверх или вправо на рисунке. В противном случае знак отрицательный. Орбитальный момент нуклона, не вращающегося вокруг нуклонной оси, вычисляется по формуле l=k*(1/2), где k – расстояние от центра нуклона до оси симметрии, выраженное в нуклонных радиусах. Если центр нуклона расположен на оси симметрии ядра, то орбитальный момент отсутствует. Знак орбитального момента совпадает со знаком спина.
Рисунок 1. Модели основных состояний ядер дейтерия
Возможных разрешенных комбинаций одного протона с одним нейтроном возможно всего три. Из них экспериментально измеренному значению момента количества движения дейтрона (J=1) соответствуют только две комбинации, в которых нейтрон и протон соприкасаются полюсами. В этих комбинациях орбитальный момент нуклонов отсутствует. Именно поэтому проекция момента количества движения ядра на ось симметрии равна только сумме спинов нуклонов (Jz=1/2+1/2=1), а общий магнитный момент ядра примерно равен сумме магнитных моментов протона (M=+2,79) и нейтрона (M=-1,91), что соответствует измерениям (M=+0,86). Если полюса протона равнозначны по отношению к взаимодействию с нейтроном, то у дейтрона возможны два зеркальных основных состояний (правое и левое). Одна из разрешенных комбинаций, у которой нейтрон и протон соприкасаются экваторами, является нестабильной. При достаточной энергии возбуждения она должна перегруппировываться в одну из основных комбинаций (дейтрон).
Рисунок 2. Первая модель основных состояний стабильных ядер гелия
В ядрах гелия магнитные моменты нуклонов одного типа взаимно компенсируются (у He3 и у нейтрона магнитные моменты примерно одинаковы, у He4 - нулевой). Таким требованиям удовлетворяют комбинации с осью в виде ядра дейтерия. Соответственно, возможны по две зеркальных комбинации. Один нуклон у He3 и два нуклона у He4 вращаются вокруг нуклонной оси. При этом, в соответствии с соотношением направлений собственного и орбитального вращения, компенсируется орбитальный момент. Благодаря этому, механический момент орбитального нуклона равен моменту осевого нуклона (но противоположен по знаку).
Несколько дополнительных данных позволяют предположить, что в этих изомерных состояниях ядра гелия находятся только во время измерений, находясь в магнитном или электрическом поле. Что это за данные? Ну, во-первых, атомы гелия химически инертны. Это означает, что у электронного облака атомов гелия не должно быть жестко зафиксированных в пространстве электронных лепестков. У данных изомеров связанные с протонами электронные лепестки всегда взаимно перпендикулярны. Один из них (связанный с протоном оси) жестко зафиксирован в пространстве и способен образовывать межатомную связь. Во-вторых, из-за электростатического отталкивания, два протона ядра должны быть расположены друг к другу не перпендикулярно, а строго под углом 180 градусов относительно центра ядра. Таким требованиям удовлетворяет единственное решение – два протона вращаются вокруг нейтронной оси из одного или двух нейтронов. Только в этом случае связанные с протонами электроны не формируют дискретные жестко зафиксированные в пространстве электронные лепестки. Они формируют сплошное торообразное электронное облако, которое не способно сформировать межатомную связь. В любом случае, и в первом и во втором варианте модель объясняет большой скачок энергии связи с 7-8 МэВ у ядер H3 и He3 до 28,3 МэВ у ядра He4. В этом ядре больше связей – каждый орбитальный нуклон связан сразу с двумя нуклонами оси, а каждый осевой нейтрон связан сразу с тремя соседними нуклонами.
Рисунок 3. Вторая модель основных состояний стабильных ядер гелия
Но у такого решения есть один недостаток – вычисленное значение магнитного момента не совпадает с экспериментальным значением. Причиной этого может быть названный выше эффект – измерения проводят с другими изомерами, в которые модифицируются ядра при воздействии внешнего поля. Есть и другое объяснение - в результате орбитального вращения протонов формируется совершенно новый объект вращения, магнитный момент которого есть результат физических процессов этого объекта, а не результат суперпозиции магнитных моментов составляющих его нуклонов. Не зря этот объект экспериментаторы выделяют как особую частицу микромира, дав ему собственное название - альфа-частица. Так как обнаружились неясности с вычислением магнитного момента, то при поиске основных состояний ядер этот параметр пока на данном этапе использовать не будем. Для наглядности, справа от модели ядра будем иллюстрировать распределение нуклонов по подоболочкам с учетом их механического момента. Заметим, что в механистической модели нет никакой надобности вводить принцип Паули. Он нужен только для подгонки под эксперимент математического аппарата квантовой механики.
Рисунок 4. Изомеры- кандидаты на основное состояние ядер Li6
У изотопа Li6 полностью заполнена одна s-оболочка и наполовину заполнена вторая. Возможно два изомера с экспериментальным значением механического момента в основном состоянии. Один из них вытянут вдоль оси вращения, а другой изомер сплющен. Оба изомера имеют зеркальные конфигурации.
Рисунок 5. Изомеры- кандидаты на основное состояние ядер Li7
У кандидатов на основные изомерные состояния ядра Li7 ось удлинена на один нейтрон.
Ядро Be8 распадается в изомерном состоянии в виде двух соприкасающихся ядер гелия. В этом ядре опять большой скачок энергии связи ядра, но она немного меньше, чем арифметическая сумма энергий связи двух ядер Не4. Гибридное ядро распадается из-за электростатического отталкивания не изолированных друг от друга протонов.
Рисунок 6. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер Be9
Но если между ядрами Не4 появится нейтрон, то электростатическому отталкиванию уже будет не по силам разорвать ядро. Такое инертное состояние будет основным для ядра Be9.
Рисунок 7. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер B10
Экспериментальное значение механического момента имеют, по меньшей мере, два изомера ядер B10, но основным должен быть тот изомер, у которого протоны более равномерно рассредоточены по поверхности ядра.
Рисунок 8. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер B11
У кандидата на модель основного состояние ядра B11 имеется только один валентный протон (связанный с ним электрон образует электронное облако, способное образовать межатомную связь). Форма основного состояния совпадает с формой одного из возбужденных состояний ядра B10.
Рисунок 9. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер C12
В ядре C12 происходит очередной скачок энергии связи. Это означает, что в данном ядре опять произошла кардинальная перестройка структуры. Конструкция в виде гибрида трех ядер He4 явно не подходит – она развалится так же, как и ядро Be8. Экспериментальное значение механического момента имеют, по меньшей мере, два изомера. У этих изомеров кардинальной перестройкой является образование нейтронного кольца в остове. Основным, наверное, будет изомер с четырьмя нейтронами в кольце, как наиболее компактный.
Рисунок 10. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер C13
Форма основного состояния ядра C13 совпадает с формой ядра C12, добавлен лишь к оси один нейтрон.
Рисунок 11. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер N14
Форма основного состояния ядра N14 совпадает с формой ядра C13, добавлен лишь к оси один протон.
Рисунок 12. Модели основного и возбужденных состояний стабильных ядер N15
У обоих изомеров-кандидатов на основное состояние ядра N15 нейтронное кольцо остова состоит из шести нейтронов.
Рисунок 13. Модели основного и возбужденных состояний ядер O16
Величина энергии связи ядра O16 позволяет предположить, что ядро скомпоновано из четырех ядер He4. Пример с ядром Be8 позволяет такое предположение отбросить. Экспериментальное значение механического момента имеют, по меньшей мере, два изомера ядер O16. Один из изомеров можно представить как комбинацию ядер C12 и He4. И по сумме энергий связи эта комбинация подходит. Разницу в 7 МэВ можно представить как энергия связи ядер C12 и He4.
Рисунок 14. Модели основного и возбужденных состояний ядер O17
Изомер-кандидат на основное состояние ядер O17 имеет форму юлы.
У изомера-кандидата на основное состояние ядер O18 нейтронное кольцо вставлено между двумя слипшимися ядрами He4. К нейтронному кольцу прикреплено только четыре протона.
Рисунок 15. Модели основных состояний ядер O18 и F19
У ядра F19 на один протон больше. У изомера-кандидата на основное состояние нейтронное кольцо полностью окружено протонами.
Рисунок 16. Модели основных состояний ядер Ne20, Ne21 и Ne22
У изомера-кандидата на основное состояние ядра Ne20 полностью заполнены две s-оболочки и одна p-оболочка. Дополнительный нейтрон, в основном состоянии ядра Ne21, не находится на оси. Он присоединяется сбоку оси, раздвигая оболочки. С добавлением еще одного нейтрона происходит перестройка структуры. Двенадцать нейтронов группируются в два нейтронных кольца. Протоны распределяются равномерно по поверхности остова. В основном состоянии происходит полная компенсация механического момента.
Рисунок 17. Тенденция к заполнению оболочек в ядрах
Таким образом, анализ возможного строения стабильных ядер химических элементов второго периода позволяет заключить, что в этом периоде происходит постепенное заполнение сразу двух ядерных оболочек. Нуклоны могут свободно переходить из одной оболочки в другую оболочку при возбуждении ядра. По экспериментальным данным, размеры атомов в этом периоде уменьшаются с увеличением порядкового номера. Это можно объяснить уменьшением длины электронных лепестков при увеличении количества протонов в незавершенных оболочках. Большее количество протонов подтягивает электронное облако ближе к ядру.
Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , февраль 2007 года
