Особенности ядерной изомерии
Согласно современным представлениям, ядро атома может находиться в разных энергетических состояниях, отличающихся друг от друга значением спина и четностью. Проекция спина может принимать целый ряд дискретных значений. Энергетические состояния подразделяются на основное и возбужденные. Основное состояние соответствует минимальному уровню энергии ядра. Энергия возбужденного ядра выше. При возвращении ядра в основное состояние избыток энергии превращается в энергию излучения. Существуют и долгоживущие возбужденные состояния ядра, которые называются изомерами.
Рисунок 1. Изображения некоторых энергетических состояний ядра Li6
Согласно данной модели, каждому энергетическому состоянию соответствует уникальная пространственная конфигурация ядра. С этой точки зрения ядерным изомером следует называть не только долгоживущие состояния, но и абсолютно каждую уникальную пространственную конфигурацию. Так как для группировки нуклонов в ядре в модели используются физические законы, по которым нуклоны могут взаимодействовать друг с другом только при параллельной ориентации спинов, то проекция спина ядра на ось симметрии (ось измерения) всегда совпадает с полным спином. Таким образом, модель уточняет положения существующего математического описания, в котором заведомо подразумевается, что величина спина и его проекции отличаются друг от друга. Чем больше у среднестатистического нуклона соседних нуклонов с ядерными силами притяжения, тем больше нуклон сжимается. При переходе ядра из возбужденного состояния в состояние с меньшим уровнем энергии происходит сжатие нуклонов, сопровождающееся выбросом излишней массы посредством излучения. Похожие процессы наблюдал Владимир Полянский в своих экспериментах с металлическими кольцами. Металлические кольца излишнюю энергию колебаний интенсивно сбрасывают посредством излучения до тех пор, пока амплитуда колебаний не снизится до оптимальной для резонансной частоты. Резонансная частота зависит от механических параметров кольца, которые неизменны. При оптимальной амплитуде колебаний на резонансной частоте излучения не происходит. Газовые кольца, в отличие от металлических, при излучении сбрасывают излишнюю массу. Механические параметры кольца при этом изменяются, соответственно изменяется и резонансная частота колебаний. Энергия излучения выбрасываемой излишней массы пропорциональна разнице резонансных частот.
При обратном переходе ядра в состояние с большим уровнем энергии происходит расширение нуклонов, сопровождающееся всасыванием недостающей массы из окружающей газоподобной среды. Резонансная частота колебаний тоже изменяется, но излучения не происходит, так как происходит обратное явление – захват массы. Если оба состояния имеют одинаковый уровень энергии, то не происходит ни излучения, ни всасывания. Резонансные колебания нуклонов, при этом, могут продолжаться сколь угодно долго. Причиной каждого перехода ядра из одного состояния в другое является внешнее воздействие, столкновение атомов друг с другом в частности. Соответственно, частота переходов растет с ростом температуры вещества. Спонтанных переходов быть не может.
Для каждой конфигурации однозначно можно определить относительные координаты каждого нуклона. Это означает, что можно вычислить такие физические характеристики ядра, как спин, четность, магнитный момент, внутренний электрический квадрупольный момент, энергия связи. Кроме того, можно визуально определить, какому состоянию соответствует данная конфигурация (основному или возбужденному). Минимальной энергии ядра должна соответствовать максимальная энергия связи и, предположительно, сферическая форма с нулевым внутренним электрическим квадрупольным моментом.
Рисунок 2. Степени упаковки нейтронного остова ядра C12
На рисунке выше показан ряд изомеров ядер изотопа С12. В пятой комбинации два слоя протонов. В одном слое два протона вращаются вокруг нейтронной оси, поэтому связанные с ними электронные лепестки тоже вращаются и не могут слипнуться с лепестками других атомов. То есть, эти лепестки химически инертны. Во втором слое протонов находится четыре протона с чередованием направления спина. У связанных с ними электронов тоже меняется направление орбитального вращения, электронные лепестки плотно слипаются друг с другом и укорачиваются. Лепестки сильно притягиваются друг к другу потому, что в местах соприкосновения поверхности двигаются в одном направлении. Четыре электронных лепестка слипаются в единую электронную оболочку торообразного вида, поэтому лепестки не могут слипнуться с лепестками других атомов. То есть, эти лепестки тоже химически инертны. Таким образом, можно сделать вывод, что атом, ядро которого имеет такую конфигурацию, химически инертен, то есть, не способен вступить в химическую реакцию. Химически инертен и атом, ядро которого имеет первую конфигурацию. У этого ядра в единую электронную оболочку торообразного вида слипаются уже не четыре, а шесть лепестков. Итог тот же – электронная оболочка инертна. Остальные четыре комбинации являются ядрами химически активных атомов – у двух атомов валентность равна двум и у двух валентность равна четырем. Таким образом, переменная валентность химического элемента связана с различием в пространственной конфигурации ядер атомов.
Рисунок 3. Ядра C12 с Q0=0
Нулевому внутреннему электрическому квадрупольному моменту со сфероидальной формой соответствует только шестая конфигурация ядра. Эта комбинация имеет самый компактный нейтронный остов и самое равномерное распределение протонов. В данном случае центром нейтронного остова является четверка слипшихся в кольцо нейтронов с чередующимся направлением спина. Поэтому каждый из двух торцов кольца является нейтральным к ядерным силам и одинокий нейтрон к торцу кольца может прилипнуть любым торцом. Таким образом, количество ядер с такой упаковкой должно быть ровно четыре. Две комбинации совершенно идентичны при повороте одной из них на 180 градусов. Поэтому уникальных комбинаций всего три. У двух комбинаций Jп=0-, у третьей комбинации Jп=2+. Экспериментальные данные: Jп=0+. Ни одна из трех комбинаций не может быть основным состоянием. Такие данные у первой комбинации, но она имеет плоскую форму, а не сфероидальную. Это становится не существенным при нулевом спине. Внешний электрический квадрупольный момент Q связан с внутренним электрическим квадрупольным моментом Q0 соотношением: Q= Q0*J(2J-1)/(J+1)(2J+3). Если J=0, то Q=0 при любом значении Q0.
Таким образом, подобрана пространственная конфигурация ядра, удовлетворяющая экспериментальным данным для основного состояния изотопа С12. Она должна обладать наибольшей энергией связи. Это вполне вероятно, потому что здесь шесть нуклонов имеют тройную ядерную связь, а в ранее рассмотренных комбинациях - только четыре. Там две пары осевых нуклонов прижимаются к нейтронному кольцу только гравитационными силами.
Пространственные конфигурации для основного состояния других изотопов должны подбираться аналогичным образом. Из всех конфигураций с экспериментальными значениями спина и четности выбирается та, которая, при логических рассуждениях, должна иметь максимальную энергию связи.
Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , январь 2008 года
