Глава 11.
Нуклоны, четность и нечетность
Когда перед глазами весь список изотопов — стабильных и нестабильных, — можно сделать определенные утверждения о структуре ядра.
Для начала возьмем атом, ядро которого состоит из одного лишь протона. Получим атом водорода–1. Ядро не может содержать больше одного электрона, если в нем нет нейтронов. Среди элементов с маленькими атомами стабильные ядра состоят из равного или почти равного количества протонов и нейтронов. Так, у ядра водорода–2 1 протон и 1 нейтрон, у гения-4 — 2 протона и 2 нейтрона, у углерода–12 — 6 протонов и 6 нейтронов, у кислорода–16 — 8 протонов и 8 нейтронов, у серы–32 — 16 протонов и 16 нейтронов, у кальция–40 — 20 протонов и 20 нейтронов.
Дальше ситуация меняется. Стабильные ядра всех элементов тяжелее кальция–40 содержат больше нейтронов, чем протонов, причем чем выше массовое число, тем больше дисбаланс между нейтронами и протонами. Так, ядро наиболее распространенного изотопа железа — железо–56 — состоит из 26 протонов и 30 нейтронов, то есть соотношение нейтронов и протонов (n/p) равно 1,15. Ядро наиболее распространенного изотопа серебра — серебро–107 — состоит из 47 протонов и 60 нейтронов, соотношение n/p равно 1,27. Ядро единственного стабильного изотопа висмута — висмута–209 — состоит из 83 протонов и 126 нейтронов, соотношение n/p равно 1,52. Ядро наиболее тяжелого из встречающихся в природе изотопов урана — урана–238 — состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, то есть соотношение n/p равно 1,59.
Очевидно, что чем больше протонов содержится в ядре, тем больше избыточных нейтронов необходимо для поддержания стабильности ядра. (Хотя конечно же слишком большой избыток нейтронов — это так же плохо, как и их недостаток.)
Понятно, что существование парных протонов оказывает на ядро стабилизирующий эффект. Из всех атомных ядер, состоящих из более чем одного нуклона, ядра с парными протонами (имеющие четное атомное число) более распространены во Вселенной. 98% нашей планеты (как коры, так и внутренней ее части) состоит из 6 основных элементов: железа, кислорода, магния, кремния, серы и никеля. Атомные числа этих элементов соответственно 26, 8, 12, 14, 16 и 28. Как вы видите, все четные.
Четные количества нейтронов по сравнению с нечетными легко стабилизируются. Для элементов выше 83, сколько бы ни было нейтронов, стабильности все равно добиться невозможно. Однако два элемента этой группы почти стабильные — это торий и уран, атомные числа которых четные (90 и 92). С другой стороны, среди всех элементов с атомными числами до 83 только два вообще не имеют стабильных изотопов. Это технеций и прометий, атомные числа которых нечетные (43 и 61).
Теперь рассмотрим количество изотопов на элемент. У 21 элемента только один встречающийся в природе изотоп. Из них только у двух элементов четные атомные числа: у бериллия (4), у тория (90). У оставшихся 19 элементов атомные числа нечетные. Есть еще 23 элемента, у которых два встречающихся в природе изотопа. Опять-таки только у двух из них атомные числа четные: у гелия (2), у урана (92). У оставшихся 21 элемента атомные числа нечетные.
Видимо, при наличии нечетного числа протонов в ядре стабильность возможна только в случае одного, максимум двух определенных наборов нейтронов. Только один элемент с нечетным атомным числом имеет три изотопа — это калий (атомное число 19). Его изотопы: калий–39, калий–40 и калий–41. Однако калий–40 все же проявляет слабые радиоактивные свойства и в природе встречается достаточно редко.
С другой стороны, все элементы (кроме четырех) с четными атомными числами имеют более двух встречающихся в природе изотопов, а у олова (атомное число 50) их целых 10. Похоже, при наличии четного числа протонов в ядре достичь стабильности настолько легко, что она возможна практически при любом количестве нейтронов в ядре.
Нейтроны также чаще всего встречаются парами. Наиболее распространенными изотопами шести элементов, составляющих 98% Земли (см. выше), являются железо–56, кислород–16, магний–24, кремний–28, сера–32 и никель–58. Содержание протонов и нейтронов равно 26–30, 8–8, 12–12, 14–14, 16–16 и 28–30. Во всех случаях количество и нейтронов и протонов четное («четно-четное ядро»).
У элементов с нечетным атомным числом, имеющих лишь один встречающийся в природе изотоп, ядра этих изотопов содержат четное количество нейтронов («нечетно-четное ядро»). Например, фтор–19 (9 протонов, 10 нейтронов), натрий–23 (11 протонов, 12 нейтронов), фосфор–31 (15 протонов, 16 нейтронов) и золото–197 (79 протонов, 118 нейтронов).
