Чтение онлайн

Рис. 43

После стабильных, водорода-1 и дейтерия, следует радиоактивный водород-3 (тритий), имеющий, как уже говорилось, сравнительно большой период полураспада (12,32 года). В этом ядре, нейтроны — находятся на самом нижнем (= базовом) энергетическом уровне, что, естественно, выгодно, и связаны непосредственно или (нижний нейтрон) почти непосредственно с протоном, т. е. связаны сильно (а значит, нейтрон — не может вылететь из ядра, в отличие от наблюдаемого вылета нейтронов при распадах более тяжёлых изотопов водорода, о чём — далее). Один из нейтронов в тритии может лишь распасться до протона («расшириться»). Но в чём выгода этого? Можно видеть, что образующийся гелий-3 — замыкает область пространства большую, чем тритий, и т. о. оказывается немного ближе, по строению, к полностью замкнутой фигуре, т. е. фигуре наиболее энерговыгодного, среди всех рассмотренных ядер, гелия-4 (= альфа-частице).

Следующие за тритием, нестабильные изотопы водорода: 4, 5, 6 и 7 — имеют примерно одинаковые времена полужизни — порядка 10–22 сек (подробнее — см. в табл. 1). Все они — распадаются с вылетом нейтронов, как видно из табл. 1. Исходя из крайне малого времени жизни, мы можем сразу потребовать, чтобы распады этих ядер — происходили с переходом нейтрона на более низкий (в данном случае — базовый) энергетический уровень, в котором имеется т. о. вакансия. Действительно, для изотопов водорода-4 и -6 — это легко увидеть, см. рис. 44. Видно, что один из нижних нейтронов, в ядре водорода-4 — может «перевернуться», и занять более низкий (базовый) энергетический уровень, образовав т. о. ядро трития; соседний нейтрон, при этом — становится лишним (несвязанным), и вылетает, унося выделившуюся (при переходе между уровнями), энергию. То же самое — происходит в водороде-6, но вылетать может как один нейтрон, так и три нейтрона сразу (см. табл. 1 + рис. 44).

Рис. 44

Водород-6, несмотря на большую, чем у водорода-4, нейтроноизбыточность — живёт несколько дольше водорода-4 (см. табл. 1). Это увеличение времени жизни — можно объяснить, исходя из наличия тринейтрона (которое ведёт к асимметрии ядра, и в конечном итоге, уменьшению квантовой неопределённости положения нуклонов, что выгодно, и уже рассматривалось ранее). На неклассическом этапе, увеличение времени жизни у более нейтронизбыточных изотопов водорода — называлось водородной аномалией [11], т. к. оставалось, в целом, необъяснимым. (Аналогичная «аномалия» — имеется у ядер гелия: гелий-7, так же содержащий тринейтрон — стабильнее гелия-5).

Далее: Чтобы понять (объяснить) радиоактивный распад изотопа водорода-5, происходящий с вылетом двух нейтронов (табл. 1), мы должны учесть, что эти, до вылета — слабосвязанные, нейтроны, в этом ядре находятся не на базовом, а на более высоком энергоуровне. Но перейти в более низкое энергетическое состояние в ядре, они не могут, т. к. последнее — уже занято нейтронами кора (трития). Это уже объясняет, почему время жизни водорода-5 — больше времени жизни водорода-4 и -6, имеющих незаполненные места для нейтронов, на базовом энергоуровне.

Теперь учтём, что связь слабосвязанных нейтронов в ядре водорода-5, по определению, слабая, т. е. это должны быть гало-нейтроны (как у изотопов гелия-6 и -8), но для изотопа водорода-5 — экспериментальное определение наличия гало-нейтронов затруднено малым временем жизни ядра, и поэтому не выполнено. Аналогия наглядного строения ядра гелия-6 с ядром водорода-5 говорит, что в водороде-5 содержатся именно гало-нейтроны (из наглядной структуры ядра видно, что данные нейтроны связаны через другие нейтроны, а значит, связаны слабо (причём, ещё более слабо, чем в изотопах гелия-6 и -8, т. к. в водороде — всего один протон)). Слабая связь — эквивалентна малой энергетической выгоде от такой связи. В итоге, оказывается более энергетически выгодным переход гало-нейтронов из этого, как бы возбуждённого состояния — в базовое, т. е. на базовый энергоуровень, который хоть в этом ядре и занят, но свободен вне ядра, см. рис. 45. Т. е. гало-нейтроны, переходя на более низкий энергоуровень — оказываются свободными нейтронами, что и объясняет вылет нейтронов при распаде водорода-5. (Нужно также учесть спаренность этих нейтронов, благодаря которой, они могут совершать переход между уровнями одновременно друг с другом, и вылетать одновременно).

Рис. 45

Можно сказать, что ядро водорода-5 — вообще существует за счёт того, что находится в подобии возбуждённого состояния, т. е. как бы и не имеет базового состояния (его базовое состояние — соответствует ядру трития и двум свободным нейтронам, а это уже не водород-5, т. е. не связанная система). При синтезе (получении) ядра водорода-5, энергия т. о., соответственно, поглощается, а не выделяется.

Далее: Последний изотоп водорода, водород-7 — пока мало изучен, поэтому на нём (вернее, на рассмотрении его распада), подробно останавливаться не будем.

Итак, мы рассмотрели распады изотопов водорода, в связи с наглядными представлениями о внутренней структуре этих ядер. Пути распада, как видно — вытекают из структуры ядер, также как и соотношения времён жизни между изотопами.

Теперь можно перейти к рассмотрению и реакций распада ядер изотопов гелия. Во многом, они дублируют те закономерности, что мы видели у изотопов водорода, но есть и существенные отличия, обусловленные наличием второго протона, из-за которого, нейтроны в изотопах гелия становятся связаны более сильно, а реакции с вылетом нейтронов, у некоторых изотопов, аналогичных изотопам водорода — становятся нехарактерными (см. табл. 2). Итак, рассмотрим реакции распада изотопов гелия, чтобы увидеть, как влияет увеличение связанности нейтронов (т. е. добавление протона) на эти реакции. Итак, по порядку:

Гелий-3 и гелий-4 — стабильны, т. к. все нуклоны в них находятся на наиболее выгодном (базовом) уровне, и расположены в соответствии с правилом о выгоде наиболее близкого расположения кварков (т. е. граней) нуклонов; кроме того, гелий-4 является полностью замкнутой фигурой. Любой распад этих ядер т. о. — невыгоден.

Гелий-5 — уже быстро распадается (период полужизни — всего 7x10–22 сек). Этот изотоп — испускает нейтрон, превращаясь в стабильный гелий-4. Механизм распада, в целом — аналогичен распаду изотопа водорода-4, см. рис. 46. На рис. видно, что в этом процессе, один из нижних нейтронов — изменяет спин (т. е. переворачивается), и переходит в базовое положение, образуя альфа-частицу (кор), где кварки этого нейтрона более близко расположены к протонам и другому базовому нейтрону, что усиливает его связь с последними. Второй нижний нейтрон, при этом — становится слабосвязанным (ядру он невыгоден из-за отсутствия сил спаривания). Поэтому этот лишний нейтрон — вылетает (так же переходя на низший (базовый) энергоуровень, но уже вне ядра, т. е. в свободное состояние).

Рис. 46

В следующем изотопе, гелии 6, нейтронам — некуда переворачиваться: более выгодные (базовые) положения в ядре — уже заняты другими нейтронами. В то же время, переход обоих нейтронов в базовое состояние вне ядра — в отличие от изотопа водорода-5, становится уже невыгоден (из-за наличия дополнительного протона). Кроме того, если один из нейтронов распадётся на протон, то получится стабильное ядро лития 6, что энергетически выгодно (о чём, подробнее — позже), и наблюдается в большинстве (99,99 %) распадов гелия-6, см. рис. 47. Поэтому, этому изотопу — приходится ждать, пока один из его гало-нейтронов не распадётся на протон, электрон и антинейтрино (b– распад). Время распада, вследствие этого, оказывается огромно, по сравнению с ядром водорода-5: так, гелий-6 — существует около секунды (806,9 мс), а водород-5 — лишь примерно (более) 9,1x10–22 сек. Также, это время жизни примерно в миллиард миллионов миллионов раз длиннее, чем у гелия-5 (7x10–22 сек), в котором, для распада, достаточно перехода нейтрона из более высокоэнергетичного положения в базовое, которое в этом ядре свободно (после чего, другой нейтрон, легко переходит в базовое положение вне ядра).

Рис. 47

Далее: В ничтожных 1,7x10–4 % случаев, b– распад гелия 6 может приводить не к литию-6, а к двум осколкам — гелию-4 и дейтерию. Это можно представить через промежуточную («виртуальную») стадию на рис. 48. При этом, нужно учесть, что значимая часть энергии b– распада тут передаётся, в конечном итоге, не электрону и антинейтрино, а осколкам — ядру дейтерия и гелия-4, благодаря чему и возможен такой канал распада (в то время как сам литий-6, который угадывается, хотя и в возбуждённом, а не основном состоянии, в «виртуальной» стадии — в своём обычном (основном) состоянии, как известно и уже говорилось — стабилен).

Рис. 48

Далее: Гелий-7 (похожий по строению на водород-6, и тоже содержащий тринейтрон) — имеет время жизни 3,1x10–21 сек, т. е. немного выше, чем у гелия-5, несмотря на свою более высокую нейтроноизбыточность (это одно из проявлений т. н. гелиевой аномалии, уже объяснявшейся для случая водорода-6 / гелия-7 — ранее).

Распад гелия-7, несмотря на сходство этого ядра с изотопом водорода-6, происходит не с вылетом трёх нейтронов: Гелий-7 — распадается с вылетом только одного нейтрона, т. к. связь нейтронов в гелии-7 — выше, чем в водороде 6, и вылет сразу трёх нейтронов — невыгоден. Механизм реакции распада ядра гелия-7 — показан на рис. 49. Как видно, один из нижних нейтронов, тут — переворачивается, занимая конфигурацию в образующейся т. о. альфа-частице (= сердцевине будущего гелия-6); при этом, самый верхний нейтрон в тринейтроне — становится несвязанным (т. к. присоединён к гало-нейтрону), и переходит (минуя сразу два энергоуровня), в базовое состояние вне ядра (т. е. вылетает, унося энергию распада, в виде импульса).