Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?
Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.
Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).
В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.
Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.
Рис. 1
К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.
Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.
Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).
Рис. 2
Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.
На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1). До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc2) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c2.
Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона
0,939565… ГэВ/c2
После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!
Но как она распределится?
Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.
Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.
И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.
Итоговая масса-энергия получается равной
(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ
Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.
Рис. 3
Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.
Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.
Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения. Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с2, квадрат скорости света. Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с2, можно сказать, что его энергия равна
Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).
< энергия массы протона + энергия массы нейтрона
= 0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ
Поэтому энергия связи дейтрона равна
1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ
Рис. 4
Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может.
Рис. 5
Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона?
Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их. Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.
Рис. 6
Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения. Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.
Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!
Рис. 7
И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки.
Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится. Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z. Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».
А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут. Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.
Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон). Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).
Рис. 8
Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.
Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.
Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).
В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.
Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.
Рис. 1
К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.
Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.
Нейтрон может распадаться
Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).
Рис. 2
Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.
На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1). До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc2) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c2.
Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона
0,939565… ГэВ/c2
После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!
Но как она распределится?
Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.
Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?
• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.
• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.
• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.
И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.
Итоговая масса-энергия получается равной
(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ
Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.
Рис. 3
Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.
Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.
Дейтрон стабилен
Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения. Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с2, квадрат скорости света. Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с2, можно сказать, что его энергия равна
Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =
• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,
• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,
• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).
< энергия массы протона + энергия массы нейтрона
= 0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ
Поэтому энергия связи дейтрона равна
1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ
Рис. 4
Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может.
Рис. 5
Нейтрон внутри дейтрона не может распаться
Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона?
Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их. Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.
Рис. 6
Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения. Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.
Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!
Рис. 7
Другие атомные ядра
И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки.
Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится. Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z. Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».
А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут. Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.
Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон). Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).
Рис. 8
Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.
Поделиться с друзьями
Комментарии (10)
Karpion
11.07.2017 18:55+2Много слов вокруг-да-около. Хотя всё можно объяснить гораздо проще.
Рассмотрим атом кислорода: 8 протонов + 8 нейтронов + 8 электронов. Что будет, если один нейтрон распадётся? Очевидно, получим атом хлора: 9 протонов + 7 нейтронов + 9 электронов (ну и антинейтрино). Считаем энергию в обоих случаях — и видим, что энергия указанного изотопа хлора существенно больше.
О чём ещё рассуждать?
x67
11.07.2017 19:23А почему больше? Как так получается? А точно атом получится? А может протон улетит и хлора не будет?
Karpion
11.07.2017 21:37Ну, Вы можете предложить другой вариант — например "кислород-15 + водород-1 + антинейтрино" (после дефиса — масса). Если в этом варианте энергия будет ниже, чем у "кислород-16", то распад возможен.
Вот только для верхней части таблицы Менделеева (кроме водорода и ещё нескольких веществ) стабильным изотопом (т.е. с наименьшей энергией) является тот, у которого число протонов равно числу нейтронов. А распад нейтрона выбивает систему с этой "линии наименьшей энергии".
А вот как наименьшая энергия получается при равенстве числа протонов и числа нейтронов — я не знаю. Наверно, надо решать уравнение Шрёдингера; по кр.мере, для электронов оно даёт нужные решения, соответствующие реальности. Но разница в том, что для ядерных частиц должны действовать не только электромагнитные силы, но и сильное взаимодействие — а тут я даже не копался.
DrSmile
12.07.2017 02:14+1А вот как наименьшая энергия получается при равенстве числа протонов и числа нейтронов — я не знаю.
Это как раз элементарно. Частица «нуклон» является фермионом и имеет два состояния — протон и нейтрон, аналогично атому, в котором электроны могут иметь спин вверх и вниз. Согласно принципу запрета Паули фермионы не могут находится в одинаковых состояниях, поэтому в ядре кислорода заняты 8 протонных и 8 нейтронных уровней. С точки зрения сильного ядерного взаимодействия, протон и нейтрон эквивалентны, а электромагнитным, в случае кислорода, можно пренебречь, поэтому энергии протонных и нейтронных уровней близки. Если мы теперь перенесем нуклон из 8-го протонного в 9-й нейтронный, то энергия увеличится, ибо 9 > 8. Соответственно, получившийся азот-16 нестабилен и распадается обратно в кислород-16.
Конечно, это объяснение не будет работать, если 8-й и 9-й уровни не сильно отличаются. Однако, как и в химии, в ядерной физике есть понятие полностью заполненной оболочки, после заполнения которой уровни энергии испытывают резкий скачок. Количества нуклонов в полностью заполненной оболочке в ядерной физике называют магическими числами и они отмечены на рис. 8 в статье — 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Соответственно, дисбаланс протонов и нейтронов может быть энергетически выгодным, если позволяет заполнить хотя бы одну из двух оболочек. Однако, в случае дважды магического кислорода-16, и протонная и нейтронная оболочка полностью заполнены, поэтому он является особенно стабильным.Karpion
12.07.2017 20:09-2Из Ваших слов вытекает, что самым стабильным изотопом азота д.б. азот-15 (7 протонов + 8 нейтронов). Однако, iRL мы имеем 99,635% азота-14 (7 протонов + 7 нейтронов) и всего 0,365% азота-15.
А почему не существуют азот-9, азот-27, кислород-10 и кислород-28?
Зато откуда-то берутся микроколичества кислорода-17 и кислорода-18, где число нейтронов ни фига не магическое.
Также непонятно, что как получаются магические числа. Понятно, что это два (возможные состояния спина), умноженные на ряд {1,2,5,14,25,41,63}. Откуда берутся эти числа?
А на рисунке 8 я вижу горизонтальные куски, не соответствующие магическим числам. И они не меньше магических горизонтальных кусков.
И кусочек стабильных изотопов в районе Z=90,N=145 — тоже ни разу не магическое место.DrSmile
12.07.2017 21:22+3Однако, iRL мы имеем 99,635% азота-14 (7 протонов + 7 нейтронов) и всего 0,365% азота-15.
Распространенность изотопа в природе, вообще, слабо связана со «степенью стабильности». Конкретно в случае с азотом она определяется деталями CNO-цикла, а точнее тем, что N-15 гораздо охотнее захватывает протон, чем N-14.
А почему не существуют азот-9, азот-27, кислород-10 и кислород-28?
Ну так правило о равенстве протонов и нейтронов никуда не делось, заполненные оболочки могут только немного корректировать его в ту или иную сторону.
Откуда берутся эти числа?
Далеко не все в природе можно на пальцах объяснить. Уравнения сильного взаимодействия на порядок сложнее электромагнитного, но даже в химии очень малое число задач поддается достаточно точному решению, про ядерную физику и говорить нечего. Так что остаются экспериментальные измерения и феноменологические модели.
Adonai
14.07.2017 17:18-1Но ведь нуклон — барион, а не фермион.
a5b
15.07.2017 02:38+3Нуклон — это фермион (а не бозон) и барион (но не лептон/мезон)
http://electron6.phys.utk.edu/phys250/modules/module%206/particle_classification.htm
The fundamental particles may be classified into groups in several ways. First, all particles are classified into fermions, which obey Fermi-Dirac statistics and bosons, which obey Bose-Einstein statistics. Fermions have half-integer spin, while bosons have integer spin. All the fundamental fermions have spin 1/2. Electrons and nucleons are fermions with spin 1/2. The fundamental bosons have mostly spin 1.…
The electron and the neutrino are members of a family of leptons. Originally leptons meant "light particles", as opposed to baryons, or heavy particles, which referred initially to the proton and neutron. The pion, or pi-meson, and another particle called the muon or mu-meson, were called mesons, or medium-weight particles, because their masses…
Baryons are made up of 3 quarks, and mesons are made up of a quark and an anti-quark. Baryons are fermions and mesons are bosons.
KamAdm
13.07.2017 15:03-3Короче, нейтрон это уплотненный атом дейтрона + антинейтрино электронное.
ИМХО вообще считаю что все элементарные частицы есть проявление (типа стоячей волны) колебания материи или пространства, или эфира или чего-го там ещё, то из чего соткан мир и вообщем мы существуем дискретно, ощущая себя только в наивысшей точке амплитуды колебания и не можем уловить фазу изменения.
ruslan_zasukhin
«из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга....»
Вы это называете физическим смыслом и объяснением?
отрицательная масса, температура, энергия… Вам не кажется что «отрицательность» — это нечто условное в мат-уравнениях и в шкале, но никак не в природе/реальности?
То есть протон и нейтрон имеют отрицательную энергию связи. Они об этом знают и потому не разбегаются? :) Или может быть какие то физические процессы им не позволяют? Типа: давление атмосферное поднимает столб воды.