Существуют разнообразные модели атомных ядер [4—14], описывающие более или менее точно параметры ядер, в том числе энергии взаимодействия нуклонов, значения магнитного момента и т. д. Недостатками этих моделей являются их феноменологичность, фактическое отсутствие структурных представлений, а также представлений о природе внутриядерных взаимодействий.

      Эфиродинамические представления позволяют найти структуру атомных ядер и понять природу ядерных сил. При этом известные значения энергии взаимодействия нуклонов Е, значения спина магнитного момента /^ff, четности и коэффициента деформации [15, 16] позволяют найти простые принципы построения структур атомных ядер основных элементов и их изотопов. Детальную разработку структур ядер можно также выполнить на этой основе.

      Группа ядер водорода—гелия. Простейшим составным ядром является дейтрон, который состоит из протона и нейтрона. Присоединение к дейтрону еще одного нейтрона дает тритон — ядро трития; присоединение к дейтрону второго протона дает ядро изотопа — гелия-3; соединение двух дейтронов дает ядро гелия-4, иначе называемое a-частицей.

В табл. 5.1 приведены некоторые параметры перечисленных ядер, на рис. 5.7 представлены их структуры.

      Легко видеть, что при антипараллельной ориентации нуклонов сумма их собственных спинов (моментов их кольцевого движения) равна нулю. Но кольцевое движение протона приводит к вращению всей системы вокруг общей оси, проходящей через промежуточную зону параллельно главным осям вихрей. Поскольку центры масс нуклонов располагаются на расстоянии от оси вращения r₀ на том же расстоянии, на котором в одиночном нуклоне сосредоточена его основная масса (при трубчатом строении газового вихря), а общая масса удвоилась, то общее количество движения также удвоится, т. е. спин дейтрона равен:

      Магнитный момент дейтрона равен 0,86m_я , т. е.

      Протоны в ядре ³₂Не расположены антипараллельно друг другу, в результате чего ядра не вращаются вокруг своей оси. Спин ядра равен 1/2. Энергия взаимодействия нуклонов в ядре гелия-3 меньше, чем у тритона, это объясняется отталкиванием протонов из-за наличия образованного им общего потока газа между ними.

      Таким образом, повышенная устойчивость четно-четной системы, каковой является a-частица, легко объяснима. Учитывая особую устойчивость a-частиц, дальнейшее рассмотрение структур ядер, связанных с особо устойчивыми состояниями (магические числа), целесообразно рассматривать на основе a-частиц. Полученную модель можно назвать альфа-частичной.

      Во-вторых, во всех четно-четных ядрах до ⁶⁰₃₀Zn включительно можно провести четкую границу в значениях энергии между относительно большим приращением энергии при присоединении новых нейтронов с энергией около 13 МэВ и относительно малыми приращениями энергии порядка 6—7 МэВ или менее. Этот скачок энергии всегда отделяет четно-четные ядра, т. е. те ядра, которые можно представить состоящи-

ми из одних только a-частиц:

      В сравнительной таблице энергий (табл. 5.3) приведены значения энергии четно-четных ядер и результаты сопоставления их с энергией соответствующего количества а-частиц. В этой же таблице приведены первые и вторые разности приращений энергий и порядковые номера (k) четно-четных ядер в ряду своих изотопов, считая от изотопа с наименьшим значением А. В последней графе указано число нейтронов

Dn, отличающее приведенный в таблице изотоп от наиболее распространенного в природе.

      Изменения во втором приращении энергии свидетельствуют о перестройке структуры ядер при переходе к новому значению числа Z. Как видно, ядра с магическими числами 2, 8, 20 и 28 завершают собой ряды одинаковых структур. Завершает структуру также ядро ⁸₄Ве, которое нестабильно, так как его энергия меньше соответствующей энергии двух а-частиц. Данный случай можно объяснить тем, что при всех положениях двух а-частиц относительно друг друга сопротивление потока эфира, выходящего из центров а-частиц, достаточно велико, поверхности же нуклонов, входящих в состав а-частиц, выпуклы и не создают достаточной основы для обеспечения высокоэнергетического соединения.

где m_a — число а-частиц в ядре; N - число нейтронов, не входящих в состав а-частиц (N = 0, 2, 4 . . .); i_P - число свободных протонов (i_p=0,1).

      В табл. 5.4—5.10 приведены энергии магических ядер и приращения энергии. Из таблиц видно, что не все ядра с магическим числом нейтронов обладают реально повышенным уровнем энергии. Как следует из значений энергий, а также из их разностей и разностей энергий ядер и энергий соответствующего числа а-частиц, закономерности для магических чисел в некоторых местах претерпевают скачки: для числа 8 не укладываются в общую закономерность фтор и неон, для числа 20 — скандий и титан, для числа 82 — прометий, самарий и европий. Таким образом, завершенными структурами ядер являются только ядра с числом а-частиц, равным 1,4,10,14,22,30,44.

причем в ядрах с нечетным z в это число входит один из протонов, остальные протоны входят в состав а-частиц, образующих основную массу ядра.

      Рассмотрение общей закономерности изменения энергии показывает, что до ⁵⁶₂₈Ni общий уровень энергии связей, приходящийся на каждый добавленный нейтрон, растет с увеличением относительной атомной массы.

      Например, переход от ⁶¹₂₈Ni к ⁶²₂₈Ni дает 10,59 МэВ, а переход от ⁶²₂₉Cu

к ⁶³₂₉Cu — уже 10,85 МэВ, т. е. в присутствии дополнительного протона дополнение нейтроном при том же количестве нейтронов дает приращение энергии связей больше.

      Итак, ядра можно рассматривать как: 1) включающие в свой состав а-частицы, число которых определяется ближайшим к атомному номеру числом, делящимся на 4, но не большим, чем ближайшим к Z четным числом; 2) включающие в свой состав параллельно ориентированные нуклоны, число которых равно k; 3) включающие в свой со-

      Так, например, ²⁹₁₅Р с Е = 239,286 МэВ, I^p = 1/2 состоит из семи a-частиц (т_a = 7), для чего необходимо 28 нуклонов и еще 1 протон со спином 1/2. Приращение энергии ²⁹₁₅Р по сравнению с ²⁸₁₅P составляет 17,87 МэВ, что означает, что в составе ²⁸₁₅Р присутствовало только 6 а-частиц. Седьмая а-частица образовалась при присоединении 14-го нейтрона (29-го нуклона), что и дало столь большой прирост энергии взаимодействия (табл. 5.11).

      В составе ³⁰₁₅Р (Е = 250,6119 МэВ, I^p = 1) по-прежнему семь а-частиц, протон и нейтрон образуют соединение типа дейтрона, имеющего спин, равный 2. Здесь возможно и другое толкование: протон и нейтрон имеют параллельные спины, и их осевые потоки в данном ядре не замыкаются.

      В составе ³¹₁₅Р (Е = 262,918 МэВ, I^p = 1/2) также 7 а-частиц. добавленный нейтрон подсоединен антипараллельно к нейтрону.

      В составе ³²₁₅P (E = 270,865 МэВ, I^p = 1) по-прежнему 7 а-частиц, добавленный нейтрон подсоединяется антипараллельно к протону, образуя дейтрон со спином, равным 1, при этом магнитные моменты вычитаются (m = -0,2523m_я ).

      Энергия изотопа лития ⁵₃Li составляет 26,33 МэВ, т. е. меньше энергии взаимодействия нуклонов в а-частице, следовательно, в составе этого изотопа а-частица не образована, хотя число протонов и нейтронов для этого достаточно. Следовательно, изотоп нестабилен и должен распадаться, что и происходит реально с периодом полураспада Т = 10^-21 с с выделением энергии, при этом

      У изотопа ⁶₃Li энергия взаимодействия Е = 31,9948 МэВ и Е > Е_a, спин равен 1. Можно предположить, что

      Добавление седьмого нуклона в изотопе ⁷₃Li (плоская структура) хорошо объясняет относительно большой прирост энергии (7,25 МэВ) заполнением пустого места в ядре. Спин 3/2 свидетельствует об ориентировании седьмого нуклона параллельно спину D.

Рис. 5.9. Структура ядра ⁵₃Li: нижний слой (а) и верхний слой (б)

      Поскольку энергия связей нуклонов изотопа ⁷₄Ве составляет 37,6012 МэВ, можно предположить, что в системе образована а-частица. Оставшиеся 2р + п не образуют, судя по спину, ядра типа ³Hе, а независимо подсоединены к а-частице, наиболее вероятно, вторым слоем, при этом р + n = D со спином, равным 1 (рис. 5.11).

      Изотоп ⁸₄Ве образуется путем подключения четвертого нейтрона на свободное место. Происходит перестройка второго слоя, замыкается центральный поток вихрей протонов и нейтронов, о чем свидетельствует энергия присоединения 18,9 МэВ. Образуются две а-частицы. Однако поскольку энергия изотопа составляет всего 56,5006 МэВ <

Рис. 5.11. Структура ядра ⁷₄Ве

Рис. 5.12. Структура ядра ⁹₄Ве

< 2Ea ⁼ 56,59248, то изотоп не может сохраняться долго, что и происходит на самом деле: период полураспада для ⁸₄Be составляет Т = 3 - 10" ⁶ с. Как уже говорилось выше, зная вихревую структуру частиц, этот результат было несложно предсказать. Таким образом, прирост энергии 18,9 МэВ свидетельствует о перестройке структуры слоя в а-частицу.

      Изотоп ⁹₄Ве образуется из изотопа j Be путем присоединения двух нейтронов. Можно считать, что эти два нейтрона ориентированы антипараллельно по отношению друг к другу, в результате чего значения спина сохраняются (рис. 5.12).

      Изотоп ¹⁰₄Ве, судя по спину, равному нулю, представляет собой две а-частицы, соединенные между собой двумя нейтронами, спины которых антипараллельны. Возможен вариант трехслойной структуры, при которой коэффициент деформации ядра с учетом деформации вихрей составит величину b = 1,22 (е - а = 2,5 r_p , где r_p - радиус вихря протона) (рис. 5.13).

      Изотоп ¹¹₄Ве образуется путем подсоединения нейтрона, спин которого и определяет общий спин ядра.

Известно, что изотоп бора ⁸₅В обладает энергией связи 37,7382 МэВ и спином 2+, отсюда следует, что

      Изотоп ⁹₅B обладает энергией 56,315 МэВ < 2E_a следовательно, этот изотоп неустойчив:

      Изотоп ¹⁰₅В обладает энергией 64,7509 МэВ и спином 3+. Хотя в данном случае Е > 2E_a, значение спина указывает на то, что в составе ¹⁰₅B содержится не более одной а-частицы. Остальные нуклоны все имеют параллельные спины (рис. 5.15).

      Изотоп ¹⁰₅В наиболее распространен. Спин составляет 3/2. Следовательно, восемь нуклонов вместе дают спин, равный нулю. Кроме того, присоединение шестого нейтрона дает относительно большое приращение энергии. Таким образом,

      В изотопе ⁹₆С, судя по энергии связи, содержится только одна a-частица. Но уже добавление четвертого нейтрона сопровождается приращением энергии, равным 21,3 МэВ. Следовательно,

      Возможный вариант структуры — трехслойный (рис. 5.17). Две a-частицы ориентированы антипараллельно, два протона присоединены к нейтронам. Дальнейшее наращивание нейтронами заполняет третью a-частицу, так что

щает внутреннюю энергию связей трех а-частиц (на 7 МэВ) (рис. 5.18). Новые нейтроны присоединяются к внешним протонам, число которых равно четырем, поэтому последним изотопом углерода является ¹⁶₈С.

      В изотопе ¹²₇N, имеющем энергию связи 74,038 МэВ, содержится не более двух а-частиц.

      Кислород. Наиболее завершенной структурой ядра в рассмотренном ряду атомных ядер является структура ядра ¹⁶₈О. Это, в частности, видно из таблицы энергий для изотопов кислорода (табл. 5.17).

      Структуру ¹⁶₈О можно представить, если учесть необходимость замыкания центральных потоков эфира в а-частицах по пути наименьшего сопротивления,тогда

      К четырем внешним протонам кислорода ¹⁶₈О могут быть присоединены соответственно еще четыре нейтрона, что даст изотоп ²⁰₈0. Поскольку присоединение первого и третьего из них меняет спин на 5/2+, происходит перестройка ближайших к этим нейтронам а-частиц. Подсоединение четных нейтронов ведет к восстановлению структуры

a-частиц, а два нейтрона соединяются между собой антипараллельно.

      Завершенностью структуры изотопа ¹⁶₈0 и объясняется высокая устойчивость (дважды магическое число).

      Завершенной структурой выступает ядро ⁴⁰₂₀Са, которое образовалось путем подсоединения к ¹⁶₈О еще шести а-частиц: двух по полюсам и четырех по экватору (рис. 5.20).

      Переходные формы ядер от ¹⁶₉F до ⁵⁰₂₀Са образуются путем подсоединения нуклонов на месте будущих а-частиц по поверхности структуры ¹⁶₈О, при этом каждый новый нуклон присоединяется так, чтобы его энергия взаимодействия была максимальной.

      Группа ядер скандий—рутений. Следующей завершенной структурой является структура, содержащая 22 а-частицы; максимально возможное число а-частиц в ядрах с магическим нейтронным числом равно 50. Эта структура может быть образована путем добавления к каждому гюлушарию ⁴⁰₂₀Са и по 6 а-частиц (рис. 5.21).

      Промежуточные ядра образуются как частичные структуры ядра рутения. При присоединении к ⁴⁰₂₀Са только околополюсных а-частиц образуется завершенная структура с магическим числом 28, завершением которой является ⁵⁶₂₈Ni.

ские ядра, последним из которых является ₆₄Gd. Магическому числу нейтронов 82 соответствует изотоп ¹⁴⁶₆₄Gd:

      Группа ядер тербий—актиний. Присоединение к завершенной структуре гадолиния еще 12 а-част'иц Дает следующую завершенную структуру c магическим числом нейтронов 126. Однако конкретное расположение нуклонов здесь проследить yжe трудно. Обращает на себя внимание факт отсутствия изотопа тория ²¹⁶₉₀Th. Это можно объяснить увеличивающейся выпуклостью внешних нуклонов и снижением из-за этого энергии связей. Следует отметить также неустойчивость следующих за торием ядер элементов.