Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

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, 54, а вот нейтронов соответственно 70, 72, 74, 76, 78, 80 и 82. В природе встречаются только два изотопа ксенона с «четно-нечетными» ядрами. Это ксенон–129 и ксенон–131, количество нейтронов в ядрах которых равно 75 и 77.

У любого элемента может быть не более двух изотопов с «четно-нечетными» ядрами. Исключением является олово, у которого таких изотопов три: олово–115, олово–117 и олово–119. Количество протонов в ядрах этих изотопов равно 50, а нейтронов — 65, 67 и 69. (Помимо этих трех изотопов, у олова есть еще 7 изотопов с «четно-четными» ядрами.)

Самым редким типом ядра является «нечетно-нечетное» ядро, состоящее из нечетного количества и протонов, и нейтронов. В природе встречаются лишь 9 изотопов с такими ядрами. 5 из них слаборадиоактивны, а оставшиеся 4 являются простейшими и абсолютно стабильными.

4 стабильных изотопа с «нечетно-нечетными» ядрами — это водород–2 (1 протон, 1 нейтрон), литий–6 (3 протона, 3 нейтрона), бор–10 (5 протонов, 5 нейтронов) и азот–14 (7 протонов, 7 нейтронов). Относительное содержание трех из этих изотопов очень низкое. На 7000 атомов водорода встречается только один атом водорода–2, на 27 атомов лития — только два атома лития–6, а на 5 атомов бора — только один атом бора–10.

Азот–14 — удивительный член этой группы. Из 1000 атомов азота 996 являются атомами азота–14, что намного превосходит количество второго стабильного изотопа азота — азота–15, — структура ядра которого является «нечетно-четной» (7 протонов и 8 нейтронов).

Стабильность альфа-частицы, состоящей из пары протонов и пары нейтронов, очень высока. Радиоактивные элементы испускают нуклоны в количестве не меньше одной альфа-частицы.

Альфа-частицы настолько стабильны, что ядро, состоящее из двух альфа-частиц (4 протона и 4 нейтрона), крайне нестабильно, будто альфа-частицы настолько самостоятельны, что «не хотят» соединяться. Такое ядро у бериллия–8, период полураспада которого около 3∙10–16 секунд.

С другой стороны, стабильность углерода–12, кислорода–16, неона–20, магния–24, кремния–28, серы–32 и кальция–40, ядра которых можно представить как объединение 3, 5, 6, 7, 8 и 10 альфа-частиц, соответственно очень высока.

В свете только что сказанного можно частично объяснить феномен естественной радиоактивности. Атомы таких элементов, как уран–238 и торий–232, для достижения стабильности стремятся уменьшить количество протонов в ядре до 83.

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 n/p растет, поскольку нейтроны и так содержатся в таких ядрах в избытке. Так, соотношение n/p урана–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 n/p которого равно 1,66. При столь высоком соотношении n/p 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 n/p. Для этого нейтрон превращается в прогон, 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 n/p 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 которых содержат 82 нейтрона, и 4 изотопа (свинца), ядра которых имеют по 82 протона.

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.

Стабильность определенного нуклида зависит не только от соотношения п/р, но и, что более важно, от энергии этого нуклида по отношению к другим нуклидам с таким же количеством нуклонов.

Чтобы лучше понять это, начнем с осознания того, что, хотя массовое число изотопа обычно приводится числом целым, на самом деле оно «не совсем» целое. Говоря о кислороде–18, калии–41 и уране–235, мы подразумеваем, что их массовые числа равны соответственно 18, 41 и 235.