Рис. 25
Тритий — нестабильный изотоп, хотя нестабильность его — относительно мала (период полураспада — 12,32 года); рассмотрим причину распада — немного позже.
Далее: Если заполнить вакансию в ядре трития, подходящим на это место, протоном, то получим ядро гелия-4, или альфа-частицу, см. рис. 26. Ядро гелия-4 (альфа-частица) — полностью завершённая, замкнутая фигура, и соответственно, можно предположить стабильность этого ядра (изотопа). Так и есть: гелий-4 — полностью стабилен, причём является ядром, при образовании которого, выделяется самая большая энергия, в расчёте на нуклон, а сам элемент гелий — завершает первый ряд элементов таблицы Менделеева. Также наглядно видна геометрическая причина того, почему спин альфа-частицы равен 0.
Рис. 26
Кстати, именно ядра гелия-4 образуются в ядерных реакциях, идущих в обычных звёздах, и именно синтез гелия-4 — даёт энергию, которую излучает Солнце.
Далее: Если отнять от ядра гелия-4 один нейтрон, получим изотоп гелий-3. Это ядро (изотоп) — имеет спин 1/2 и тоже стабилен (образуется при распаде трития, о чём — позже). Некоторые конфигурации, которые можно вообразить для ядра гелия-3 — показаны на рис. 27. Из них, реализуется в природе — первая, т. к. в ней оба протона — тянут «кварковую плотность» нейтрона (по аналогии с электронной плотностью атома) — в одну и ту же сторону, а не в противоположные, как во второй конфигурации, или частично в противоположные, как в третьей, см. рис. 28. Учёт направления смещения кварковой плотности — будет одним из постоянных правил при определении строения более тяжёлых ядер (протоны должны смещать её в одинаковую сторону, насколько это возможно, а все конфигурации, нарушающие это правило, как увидим далее — не реализуются в природе, вернее, реализуются только как возбуждённые состояния).
Рис. 27
Рис. 28. Ядро гелия-3, вид сбоку (схематично), конфигурации — по рис. 27
Ещё одно правило, или закономерность, следующая из структуры уже рассмотренных ядер — это выгода конфигурации ядра, в которой грани, а значит, кварки нейтронов и протонов — располагаются наиболее близко друг к другу, стремясь к образованию наиболее замкнутой фигуры из возможных. Одним из следствий этого правила — является спин, равный единице, у ядра дейтерия, и нулевой спин гелия-4 (и его полностью замкнутая конфигурация), а также минимальное значение спина у гелия-3 (т. е. 1/2, вместо возможного 3/2 (см. рис. 27)).
Конфигурации нейтронизбыточных изотопов водорода
Нейтроноизбыточными изотопами водорода являются изотопы от водорода-3 (трития) до водорода-7, имеющие, за исключением трития, ничтожные времена жизни, не более чем порядка 10–22 сек, см. табл. 1. Несмотря на малое время жизни, эти изотопы весьма важны для подтверждения закономерностей строения атомных ядер. Остановимся на каждом из этих изотопов, по порядку:
Строение ядра трития — уже рассматривалось ранее, поэтому переходим сразу к водороду-4: Водород-4 — имеет спин 2, что объясняется рис. 29. Почему водород 4 предпочитает эту конфигурацию, а не такую, например, как на рис. 30? Фактически, нейтрон на рис. 30 — стал бы несвязанным, т. к. располагается слишком далеко от кварков протона, и кроме того, является неспаренным (о спаренных нуклонах — чуть позже). Если же оба нижних нейтрона займут «перевёрнутое вверх» положение, как было показано на рис. 29, то связь обоих нейтронов с протоном окажется одинакова, и они оба будут связанными. Поэтому образуется именно конфигурация со спином 2, показанная на рис. 29.
Таблица 1 [8]
Изотопы водорода