Баллистическая



жүктеу 8.2 Mb.
бет48/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   44   45   46   47   48   49   50   51   ...   99

Строение ядер

Чем больше в ядре должно поместиться нуклонов, тем больше должна быть площадь поверхности ядра, где происходят присоединения то протонов, то нейтронов… Этим особенностям лучше всего отвечает форма ядра в виде двух пирамид Хеопса, соединённых усечёнными вершинами. Тогда их "подошвы" и становятся теми поверхностями, которые послойно заполняются и протонами и нейтронами.



В. Мантуров, "Ядерные силы - предложение разгадки" [79]
Выше было показано, что именно ядро - ядерный остов своей бипирамидальной формой задаёт все свойства атомов и отвечает за периодичность свойств элементов, проявляющуюся в форме периодического закона Д.И. Менделеева. Тем самым впервые проложен мост между химическими и ядерными свойствами элементов. Но, оказывается связь химических и ядерных свойств проявляется и в другом. Так, ядерные свойства элементов тоже имеют некую периодичность, во многом повторяющую периодичность химических свойств. Это видно из распространённости элементов, числа их изотопов, значений атомных масс. Скачки этих характеристик обычны на границах периодов. Поэтому заметно выбиваются из общей последовательности элементы VIIIA группы – инертные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Рис. 106) – хотя бы по резким скачкам их атомных масс. Если нанести зависимость атомного веса от номера элемента, то получится монотонная кривая - атомный вес с увеличением номера на единицу возрастает в среднем на две единицы. Но есть на этой кривой выбросы, особенно заметные вблизи инертных газов. Рекорд принадлежит радону со скачком аж на 12 единиц.

Также интересен феномен элементов VIIБ группы – почти все они либо не встречаются в природе, либо имеют ничтожную распространённость. Этот закон, открытый ещё в 1924 г. В. Прандтлем и А. Гриммом, был забыт, как и всё противоречащее квантовой теории [145]. В самом деле, из пяти элементов группы VIIБ (по Браунеру) – Mn, Tc, Re, Pm и Np – распространён только марганец, рений же крайне редок (это самый дорогой металл), а все прочие элементы, будучи нестабильны, в природе практически не встречаются и их получают искусственным путём. Другой пример дают нестабильные нечётно-нечётные ядра. В природе можно встретить лишь 4 таких ядра: 40K, 50V, 138La, 176Lu. Но ведь La и Lu – это крайние элементы ряда лантаноидов, а K и V – крайние элементы полупериметра 4-го слоя (Рис. 109). Исключительность редкоземельных элементов (лантаноидов) не только в плане химических, но и в плане ядерных свойств отмечалась уже давно [145]. Но никто не мог объяснить, почему эти свойства взаимосвязаны. А дело всё, как увидим, в едином механизме - в атомном остове.

Периодичность свойств атомов – это, как нашли выше, следствие послойного заполнения бипирамидального остова (ядра) атома электронами (§ 3.3.). Когда заполнится один слой, прочно связанные в нём электроны уже не отрываются и не участвуют в образовании химической связи, и при заполнении следующего слоя всё начинается с нуля. Оттого и свойства элементов периодически повторяются с заполнением каждого последующего уровня. Тем же обусловлена и некая периодичность свойств ядер, проявляющаяся в существовании магических ядер (особо устойчивых сочетаний нуклонов, аналогичных устойчивым атомам инертных газов), и параллели между свойствами ядер и расположением элементов в таблице Менделеева. Так, к примеру, по неясной причине повышена стабильность ядер у элементов IA группы. В ней больше всего стабильных нечётно-нечётных ядер (их известно 4): 2H, 6Li, а ядро 40K имеет очень большой период полураспада и потому тоже условно стабильно. Калий-40 относится к естественно-радиоактивным изотопам, имеющим огромный период полураспада, и потому находимым в природе. Число естественно-радиоактивных ядер невелико, и опять же их больше всего в IA группе: кроме 40K, это 87Rb и 135Cs, наконец 223Fr. Химический антипод элементов первой группы – элементы седьмой группы. Но и по ядерным свойствам это антипод. Так, видимо, от низкой стабильности ядер в природе редко встречаются или напрочь отсутствуют элементы VIIB группы: Tс, Re, а также Pm и Np, которые по исходному варианту таблицы Менделеева и Браунера следует отнести к VIIB группе (Рис. 109). Ещё один пример дают ядра 138La, 176Lu – два из четырёх известных естественно-радиоактивных нечётно-нечётных ядер. Но ведь лантан и лютеций – это крайние элементы ряда лантаноидов. Как видим, химические свойства элементов, их положение в таблице Менделеева тесно связаны с их ядерными свойствами, что может объяснить лишь кристаллическая модель ядра. Именно бипирамидальная структура ядра одинаково задаёт способ укладки протон-нейтронных и электронных слоёв.

Всё это доказывает тесную связь строения ядра и электронных слоёв в атоме. Выходит, таблица Менделеева отражает закономерности, чередование и взаимосвязь не только физико-химических, но и ядерных свойств элементов. Значит, бипирамидальный остов атома ответственен как-то и за ядерные свойства элементов. Таким образом, именно эта геометрическая структура бипирамиды должна дать ключ к пониманию структуры ядра. Геометрия, наглядный, образный подход, как знает любой инженер, позволяют легко решать даже задачи непокорные аналитическим методам. Именно так Луи Пуансо – инженер, открывший новый тип правильных многогранников, - решил важную проблему механики. Без геометрии невозможны адекватные представления о строении мира. Так, пространственное размещение атомов в молекулах и кристаллах определяет их физико-химические свойства, а элементов в таблице Менделеева – даёт информацию о свойствах атомов и их соединений. Но по иронии судьбы именно в микромире – фундаменте мироздания – геометрию и наглядные модели игнорируют, считают ненужными, сводя всё к формулам и прикрываясь туманом неопределённости, абсурдной размытости частиц, лишающей мир чёткой структуры.

Наглядный, а точней "ненаглядный" пример этого дают нынешние представления об атомном ядре. Его изображают то заряженной каплей, то чередой оболочек, а то и сгустком формул [11]. И лишь классическая модель атома даёт кристально ясную структуру ядра, объясняющую все его свойства. В этой модели ядро атома имеет вид бипирамиды – двух пирамид, соединённых усечёнными вершинами. Сия структура и задаёт конфигурацию электронных слоёв (оболочек), связь химических и ядерных свойств. Так, подобно атомам инертных газов с особо устойчивыми конфигурациями электронов и высокой химической стойкостью, в некоторых ядрах протоны и нейтроны образуют особо устойчивые сочетания, проявляющие инертность в ядерных реакциях. Такие ядра, названные магическими, имеют повышенную прочность и слабо реагируют с другими ядрами и нейтронами.

Вот числа протонов или нейтронов, образующих особо прочные сочетания (магические числа): 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126 [169]. Физики поняли, что магические числа, подобно периодам таблицы Менделеева, вызваны присутствием в ядре неких слоёв, оболочек, постепенно заполняемых нуклонами (протонами и нейтронами). Магичны и особо стабильны ядра с целиком укомплектованными оболочками. Но физики не сделали последнего шага – не догадались, что строение ядерных и электронных слоёв задано одной структурой – атомным ядром, которое и ответственно за глубокую аналогию химических и ядерных свойств, их периодичность.



Рис. 110. Фигурные числа (квадратные, треугольные) и пирамидальные числа.

Эта аналогия объясняет строение слоёв ядра. Числа электронов в электронных оболочках (2, 8, 18, 32) – это удвоенные квадраты целых чисел: 12, 22, 32, 42 (§ 3.3.). В геометрии такие числа n2 называют квадратными, относя к группе фигурных чисел – количеств точек, послойно заполняющих фигуры в виде треугольников, квадратов и т.д. (Рис. 110). Так, треугольные числа образуют ряд: 1, 3, 6, 10, ... , n-е число Fn=n(n+1)/2. И если числа электронов в слоях – это удвоенные квадратные числа, то числа протонов или нейтронов в ядерных оболочках оказались удвоенными треугольными числами вида n(n+1): 2, 6, 12, 20, 30, 42, 56 [135]. Отсюда следуют все магические числа. Первое число 2 соответствует первому целиком заполненному слою с числом мест 2. Второе магическое число 8 означает, что кроме первого заполнен ещё и второй слой из 6-ти мест: 2+6=8. Магическое число 20 возникает, если заполнен ещё и третий уровень: 2+6+12=20. Как для случая электронных слоёв, ядерные укладываются один над другим в виде пирамиды, а потому эти три числа – это удвоенные пирамидальные числа вида n(n+1)(n+2)/3: 2, 8, 20, 40, 70. Прочие магические числа находятся как удвоенная сумма n-го треугольного числа и (n–2)-го пирамидального: n(n+1)+n(n–1)(n–2)/3=(n3+5n)/3 (Рис. 111) [169].

Рис. 111. Схема образования магических чисел (обведены) и их геометрическая трактовка.

Всё это легко объяснить на базе бипирамидальной модели ядра. Подобно электронным слоям, ядерные лежат в последовательных квадратных сечениях пирамид. Каждое сечение делится перегородкой на два треугольника. Поэтому число частиц в слое равно удвоенному треугольному числу (Рис. 112). Протоны и нейтроны постепенно заполняют сечения бипирамиды, послойно укладываясь в её раструбы, словно горошины, семечки в кульки. При этом протоны образуют отдельные слои, которые перемежаются слоями нейтронов (Рис. 113). Пирамиды связаны перемычкой, образованной слоями в два протона и два нейтрона. В дважды магическом ядре гелия заполнены лишь эти два слоя.

Рис. 112. Структура нуклонных слоёв (слева) и слоёв электронных (справа).

У последующих ядер начинают постепенно заполняться примыкающие к этим слоям с двух сторон слой нейтронов и слой протонов, пока не заполнятся целиком, образовав дважды магическое ядро кислорода, содержащее 8 нейтронов и 8 протонов. Оно обрастает новыми слоями (с одной стороны протонами, а с другой – нейтронами), вплоть до их заполнения у кальция, содержащего по 20 протонов и нейтронов. Но далее такое симметричное нарастание слоёв нарушается, поскольку у тяжёлых ядер число нейтронов N заметно преобладает над числом протонов Z. Поэтому необходимо, чтобы крайний слой нейтронов был больше крайнего слоя протонов. А значит, в одной пирамиде на два слоя больше, чем в другой. Так, например, устроено дважды магическое ядро кальция из 28 нейтронов и 20 протонов (Рис. 113). Видим также, что модель объясняет магическое число 14 [169], которого не даёт квантовая физика.

Рис. 113. Схема и ёмкости нуклонных слоёв в бипирамидальном ядре. Ниже - структуры слоёв в магических ядрах. Штрихованные слои образованы протонами, белые - нейтронами.

Следующие бимагические ядра могли бы получиться из конфигураций, где оба крайних слоя образованы нейтронами, так что в одной пирамиде на три слоя больше, чем в другой (Рис. 113). Но такие дважды магические ядра нестабильны, поскольку в них слишком много нейтронов. Впрочем, из них легко получить просто магические ядра, если добавить несколько протонов или убрать часть нейтронов. Соответственно ядро будет магично по числу N или Z. Правда, ещё одно дважды магическое ядро всё же есть – ядро свинца-208, содержащее 82 протона и 126 нейтронов. Для столь тяжёлых ядер данное соотношение нуклонов устойчиво.

Итак, наиболее стабильны самые симметричные дважды магические ядра: в них слои полностью укомплектованы и потому с трудом отдают и поглощают частицы. Просто магические ядра менее симметричны: один слой у них не дозаполнен. Поэтому рост их стабильности менее выражен. Все прочие ядра ещё менее симметричны: не дозаполнены оба крайних слоя, и эти ядра не выделяются стабильностью. Но и среди них есть более стабильные – это ядра с чётным числом протонов и нейтронов. В этом снова видно родство химических и ядерных свойств. Так, более устойчивы химические соединения с чётным числом связующих электронов. Да и элементы с чётным числом электронов всегда более инертны, чем элементы с нечётным. Ведь только чётное число частиц симметрично заполняет слои. А именно симметрия, геометрический порядок, как показал пример атомов и магических ядер, является мерой прочности и стабильности. Замечательно, что и к строению ядер и кристаллов наглядно-геометрическая баллистическая аналогия имеет прямое отношение, поскольку ядра возле пушек издавна складывали в форме фигурных ядерных пирамид. Поэтому именно сложенные пирамидой пушечные ядра обычно приводят в качестве иллюстрации пирамидальных чисел и модели укладки атомов в кристаллах.

Бипирамидальная кристаллическая модель ядра легко объясняет, почему тяжёлые ядра делятся на две части в отношении 3 к 2-м [135]. Бипирамида разламывается по перемычке на две пирамиды, отношение масс которых равно в среднем отношению двух соседних пирамидальных чисел: у тяжёлых ядер – как раз 3:2 (Рис. 114). Объясняет бипирамида и большое число изотопов тяжёлых элементов [79], и свойства, следующие из капельной модели ядра. Ядерные силы удерживают протонные слои от разлёта благодаря слоям нейтронов, которые их разделяют. Однако у тяжёлых элементов отталкивание протонов столь велико, что, начиная с полония ядра нестабильны, и с ростом атомного номера стабильность их всё падает.

Многие [79, 21], включая и физиков-ядерщиков [169], уже допускают, что ядро подобно кристаллу. Ведь кристаллическая бипирамидальная модель ядра позволяет единым образом описать все ядерные и химические свойства элементов. Вскоре она позволит составить и своего рода периодическую таблицу ядер, вроде таблицы Менделеева, графически задающей свойства элементов.



Рис. 114. Деление бипирамидального ядра на два осколка-пирамиды с отношением масс 3:2. Пирамиды не равны, поскольку крайние слои образованы нейтронами (которые в ядре преобладают): в одной пирамиде слоёв на один больше.

Аналогия химии и ядерной физики позволяет понять и природу изомерии атомных ядер. Ядро из данного числа протонов и нейтронов можно построить многими способами, по-разному располагая частицы в слоях. Тогда даже ядра с одинаковым протон-нейтронным составом, но разным строением, будут иметь разные стабильности. Это и есть ядра-изомеры, аналогичные молекулам-изомерам органической химии, имеющим одинаковый атомный состав, но разный порядок размещения атомов, а значит разные свойства. Возможно, ядра способны распадаться разными путями и иметь несколько разных периодов полураспада [169] как раз ввиду того, что это смесь изомеров (процент данного типа распада определяется содержанием соответствующего изомера).

Свойства ядер заданы не только числом образующих их протонов и нейтронов, но и размещением их в остове. Аналогично в структурной химии давно открыто, что свойства молекул зависят как от числа атомов-составляющих, так и от их пространственного расположения в молекуле – от её структуры, как это впервые показал А.М. Бутлеров (§ 5.16.). Такие молекулы с идентичным атомным составом, но разным строением и свойствами называют изомерами. То же верно и для ядер. Явление ядерной изомерии давно открыто О. Ганном и исследовано, во многом при участии И. Курчатова. Есть много ядер-изомеров с одинаковым протон-нейтронным составом, но разными периодами полураспада. Здесь проявляется организующая роль остова, где нуклоны образуют разные конфигурации. В квантовой модели ядра этому нет объяснения, как нет объяснения и магическим числам нуклонов, оболочечной модели. Ведь в ядре, в отличие от атома, нет силового центра, который задавал бы по квантовой механике систему уровней [135]. А в кристаллической модели ядра такая задающая уровни структура есть – это атомный остов.

Существование и число изомеров данного ядра зависит от его массы. Есть так называемые островки изомерии, области масс атомов с повышенной частотой встречаемости измеров. Связано это с заполнением ядерных уровней: в зависимости от того, насколько сильно заполнен данный уровень может быть больше или меньше сравнительно стабильных вариантов его пространственного заполнения нуклонами, соответственно больше или меньше изомеров разной стабильности. Это же объясняет, почему изомеры обычно встречаются у ядер с нечётным числом протонов и нейтронов [135]. Чётное число нуклонов разбивается на пары: частицы оказываются попарно связаны в слоях, так же как электроны. Это происходит потому, что число мест в слоях, в том числе и вдоль периметра - чётное и тем или иным способом чётное число нуклонов может образовать устойчивую, завершённую или этапно-завершённую конфигурацию слоя. Зато при наличии неспаренного нуклона частицы могут свободно перемещаться в слое, как фишки в пятнашках, образуя разные конфигурации-изомеры. Связь изомерии с пространственным размещением нуклонов в ядре прослеживается хотя бы у 180Hf, у которого была отчётливо выявлена различная форма ядер изомеров. И всё же, несмотря на то, что даже само слово изомер говорит о том, что явление связано с различным пространственным расположением нуклонов в ядре, физики основываясь на разработанной Вейцзеккером квантовой теории изомерии, считают, что изомеры - это возбуждённые метастабильные состояния ядер.

Раструбы бипирамидального ядра послойно заполняются сначала протонами и нейтронами, затем электронами (Рис. 112, Рис. 113). И снова минимум энергии достигается при целиком заполненном слое, равно как в кристалле целиком заполненная атомами грань обеспечивает кристаллу минимум энергии и устойчивость, отчего их и находят в природе. Так и среди ядер более стабильны ядра с полностью укомплектованными слоями протонов и нейтронов – магические ядра. Они самые прочные, инертные и плохо взаимодействующие с пучками нейтронов. А среди атомов всего прочнее и химически устойчивей атомы инертных газов с их полностью укомплектованными слоями электронов. Как видим, аналогия с кристаллами полная. Странно, что учёные, осознав высокую устойчивость целиком заполненных электронных слоёв, не провели параллель с устойчивостью заполненных атомных слоёв кристалла. Впрочем, учёные-классики - Дж. Томсон, Дж. Льюис, И. Ленгмюр, которые впервые и выдвинули идею электронных оболочек, связали их стабильность именно с совершенной, целиком заполненной геометрической формой куба [49]. Лишь поздней эту мысль отвергли и перешли к абстрактным квантовым уровням, не имеющим геометрической интерпретации: в квантовой механике уровни и квантовые числа вводятся совершенно искусственно и формально.

Итак, именно модель атома Ритца пролагает мостик от атомных, химических свойств к ядерным, к свойствам элементарных частиц. Это ещё раз доказывает, сколь эффективны наглядные геометрические представления об атоме и атомном ядре. Ещё древние греки, открывшие фигурные числа, считали геометрию основой мира. Великий инженер Архимед особо ценил свои геометрические открытия, хотя был автором физических законов и удивительных машин. Подчёркивал особую роль геометрии и Пифагор, наделявший атомы конкретной формой многогранников. Так же и Платон, удивительным образом предугадавший геометрическую форму атомных пирамидок, выше всего ставил геометрию, сделав соответствующую надпись над входом в свою Академию (§ 5.3.). Нынешняя физика микромира много потеряла, отвергнув наглядные представления и чертежи, образный, геометрический, инженерный стиль мышления, подменив его абстрактно-аналитическим – формулами квантовой механики и теории относительности, лишёнными физического смысла и образа. В ходе формализации не только была утрачена наглядная адекватная картина мира, но и усложнились расчёты. Аналитическое решение многих задач микромира столь трудоёмко и громоздко, что даже ЭВМ не помогает. Пытаться понять с помощью формального, негеометрического описания устройство атома и микромира столь же безнадёжно, как силиться понять работу часов, не разобравшись в их сути, механизме, подменив их набором формул, отражающих движение стрелок. Вот почему в физику атома, ядра и элементарных частиц давно пора вернуть геометрию. Как увидим ниже, геометрия оказывается крайне удобной и для понимания строения элементарных частиц (§ 3.9.).



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   44   45   46   47   48   49   50   51   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет