Образование атомных ядер из элементарных частиц связанное состояние протона и нейтрона — дейтрон, страница 5

А такие частицы, как мы знаем из гл. 4, подчиняются принципу Паули: в состоящей из них системе частицы одного и того же типа должны находиться в разных квантовых состояниях. Это означает, что волны равной длины могут быть связаны не более чем с двумя одинаковыми частицами, однако различающимися ориентацией спина. Устойчивая волновая конфигурация, в которой плотность вероятности (Измеряемая квадратом амплитуды волны) максимальна, сосредоточена ближе всего к центру ядра и всегда имеет сферически-симметричную форму. В таком состоянии могут находиться не больше чем два протона и два нейтрона — в разных парах с различно ориентированными спинами; (Это состояние принято называть s-состоянием;) Остальные волновые конфигурации лежат далеко от центра и помимо сферически-симметричной могут иметь более сложную форму. Подробнее с этим вопросом мы познакомимся в следующей главе.

Таким образом, устойчивые волновые конфигурации образуют вокруг центра ядра как бы слои, или оболочки. В первой (ближайшей к центру) оболочке могут находиться два протона и два нейтрона. Во второй оболочке возможны уже четыре формы волновых конфигураций, из которых только одна сферически-симметрична, а остальные имеют более сложную пространственную конфигурацию. В другие, еще более удаленные от центра оболочки входит большее количество частиц.

Различным волновым конфигурациям соответствует различная энергия протонов и нейтронов в ядре. Самые малые значения энергии нуклонов (а следовательно, стабильные конфигурации с большой энергией связи) имеют ядра, в которых целиком заполнена определенная оболочка. Самое легкое из них — ядро гелия ⁴₂Не, где целиком заполнена (физики часто говорят «заселена») первая оболочка.

Таким образом, состояния нуклонов влияют на полную энергию связи в ядре, при этом энергетически устойчивыми являются ядра с определенными числами протонов и нейтронов. Этим и объясняется особенно высокая стабильность ядер с числом протонов и нейтронов, соответственно равным 2 и 2, 8 и 8, 20 и 20, и некоторых других, более тяжелых, ядер.

Как уже говорилось, в тяжелых ядрах заметнее проявляется сила электростатического отталкивания между протонами, поэтому в стабильных ядрах, как правило, нейтронов больше, чем протонов. Была даже выдвинута гипотеза о существовании относительно стабильных ядер с числами протонов и нейтронов соответственно около 114 и 184, т. е. ядер, лежащих далеко за пределами известных трансурановых элементов. Однако такие ядра до сих пор не удалось ни обнаружить в природе, ни получить искусственно. Возможно, что предположения, на которых основан соответствующий расчет, не вполне верны, поэтому к названной гипотезе следует относиться с осторожностью. Ведь при большом количестве протонов и нейтронов в ядре при расчете всегда приходится прибегать к значительным упрощениям, что существенно сказывается на результатах расчетов. Тем не менее значения «магических чисел» — количеств нейтронов и протонов, при которых образуются особо стабильные ядра,— хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов, причем не только для легких ядер, но и для тяжелых, близких к свинцу.

Ядра, которые имеют низкую энергию связи, но по своему составу мало отличаются от стабильных ядер, как правило, радиоактивны; испуская позитроны или электроны, такие ядра превращаются именно в соседние (в смысле числа протонов или вообще нуклонов) стабильные ядра. Некоторые тяжелые радиоактивные ядра при распаде испускают даже альфа-частицы, благодаря чему их массовое число уменьшается настолько, что в конце концов они приобретают стабильную конфигурацию. Кроме того, очень тяжелые ядра при бомбардировке нейтронами довольно легко распадаются на два примерно одинаковых осколка, а иногда (очень редко) такой распад происходит самопроизвольно. Все искусственно полученные ядра трансурановых элементов радиоактивны. И если все же удалось бы обнаружить или искусственно получить относительно стабильные сверхтяжелые ядра с числом протонов, равным 114, то из теоретических соображений (с ростом числа протонов в ядре электростатическое отталкивание между ними увеличивается) вытекает невозможность существования других, еще более тяжелых ядер — даже радиоактивных с очень коротким периодом полураспада. Только в экстремальных условиях, например при действии предельно больших гравитационных сил, можно в принципе допустить образование еще более тяжелых ядер. В условиях же, преобладающих на Земле, по-видимому, невозможно существование ядер (даже самых короткоживущих радиоактивных) с порядковым номером больше 114.