ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2019
Просмотров: 1237
Скачиваний: 12
21
нуклонных слоѐв с чѐтным L с любым количеством нуклонов. Рассмотрим
другой пример инверсии координат у ядра, изображѐнного на рисунке
ниже. Какая чѐтность такого ядра, если после инверсии координат его
состояние в пространстве изменилось (он развернулся на 180 градусов), а
направление спинов всех нуклонов поменялось?
Рисунок 7-2. Инверсия координат ядра F19
Осуществим вычисление по формуле. Ядро имеет две полностью
заполненные ядерные оболочки, соответственно их чѐтность
положительна. У любого количества нуклонов на оси симметрии (L=0)
общая чѐтность положительна. У вращающегося по круговой орбите
протона чѐтность положительна (L=0). Следовательно, положительно
общее произведение положительных единиц (суммарная чѐтность ядра).
Спин ядра равен 1/2 (0 + 0 + 1/2 + 1/2 - 1/2).
Рисунок 7-3. Инверсия координат ядра Li7
Рассмотрим ещѐ один пример инверсии координат ядра,
изображѐнного на рисунке выше. Опять похожая предыдущая ситуация -
после инверсии координат ядро развернулось на 180 градусов, а
направление спинов всех нуклонов поменялось. Опять осуществим
вычисление по формуле. Полностью заполненная ядерная s-оболочка
чѐтная. Нейтрон на оси симметрии (L=0) и p-протон (L=2) тоже чѐтные.
Совершенно другая ситуация с нейтроном между ними – его чѐтность
отрицательна (L=1). После перемножения всех чѐтностей получаем
суммарную отрицательную чѐтность. Спин ядра 3/2 (0+1/2-3/2+5/2).
Приведѐнные выше примеры показывают, что нет смысла пытаться
определить чѐтность ядра методом изучения трѐхмерного изображения
результата инверсии координат. Достаточно воспользоваться формулой,
изобретѐнной в квантовой механике. Именно только в этом случае
результаты вычислений совпадают с табличными данными спина и
чѐтности рассмотренных выше ядер.
22
8.
Особенности ядерной изомерии
Согласно современным представлениям, ядро атома может находиться
в разных энергетических состояниях, отличающихся друг от друга
значениями спина и четности. Энергетические состояния подразделяются
на основное и возбужденные. Основное состояние соответствует
минимальному уровню энергии ядра. Энергия возбужденного ядра выше.
В большинстве случаев возбуждѐнное состояние ядра является временным
и недолгим. При возвращении ядра в основное состояние избыток энергии
превращается в энергию излучения -кванта. Существуют и долгоживущие
возбужденные состояния ядра, которые называются изомерами.
Согласно данной модели, каждому энергетическому состоянию
соответствует уникальная пространственная конфигурация ядра. С этой
точки зрения, ядерным изомером следует называть каждую уникальную
физическую пространственную конфигурацию, независимо от еѐ времени
жизни. Так как для группировки нуклонов в ядре в модели используются
физические законы, по которым нуклоны могут взаимодействовать друг с
другом только при параллельной ориентации спинов, то проекция спина
ядра на ось симметрии (ось измерения) всегда совпадает с полным спином.
Таким
образом,
модель
уточняет
положения
существующего
математического описания, в котором заведомо подразумевается, что
величина спина и его проекции отличаются друг от друга.
Рисунок 8-1. Изображения некоторых энергетических состояний ядра Li6
Для каждой конфигурации однозначно можно определить относительные
координаты каждого нуклона. Это означает, что теоретически можно
вычислить такие физические характеристики ядра, как спин, четность,
магнитный момент, электрический квадрупольный момент, энергию связи.
Кроме этого, можно вычислить валентность атома с данным ядром.
Рисунок 8-2. Иллюстрации к методике определения валентности атома
23
На рисунке выше показаны двенадцать изображений, с помощью которых
можно объяснить методику определения валентности атома по
конфигурации его ядра.
Изображение 1. Два протона ядерной s-оболочки вращаются вокруг
нейтронной оси. Поэтому связанные с ними электроны атома не в
состоянии сформировать стационарные электронные лепестки, способные
организовать валентные положительные связи с другими атомами.
Изображение 2. Один протонный лепесток (пара протон-нейтрон) в
ядерной p-оболочке способен поворачиваться вокруг оси при внешних
воздействиях, но самостоятельно не вращается. Поэтому связанный с
таким протоном атомный электрон формирует стационарный электронный
лепесток, способный формировать одну положительную валентную связь с
другими атомами.
Изображение 3. Два протонных лепестка стационарны и отталкиваются
друг от друга в противоположные стороны, разворачиваясь вокруг
нейтронной оси. Соответственно отталкиваются друг от друга и связанные
с ними стационарные атомные электронные лепестки, которые
формируют в пространстве две противонаправленные положительные
валентные связи с другими атомами.
Изображение 4. Три протонных лепестка стационарны и отталкиваются
друг от друга равномерно в плоскости, разворачиваясь вокруг нейтронной
оси. Соответственно отталкиваются друг от друга и связанные с ними
стационарные атомные электронные лепестки, которые формируют в
пространстве три положительные валентные связи с другими атомами.
Мало того, электронные лепестки, отталкиваясь друг от друга, способны
затягивать в пространство между собой электронные лепестки других
атомов. Это равносильно образованию в пространстве трѐх отрицательных
валентных связей. Таким образом, такая ядерная оболочка способна
создавать в электронной атомной оболочке либо три положительных
валентных связи, либо три отрицательных валентных связи.
Изображение 5. В ядерной p-оболочке с противоположных сторон
отсутствуют два протона. Четыре оставшихся протона сгруппированы в
две пары. Связанные с каждой парой атомные электронные лепестки
стационарны и имеют разную полярность. В месте соприкосновения таких
лепестков электроны двигаются в одном направлении. По этой причине
парные электронные лепестки слипаются друг с другом и не способны
сформировать в пространстве положительные валентные связи с другими
атомами. Однако, парные электронные лепестки, отталкиваясь друг от
друга, способны затягивать в пространство между собой электронные
лепестки других атомов. Это равносильно образованию в пространстве
двух отрицательных валентных связей.
Изображение 6. В ядерной p-оболочке опять отсутствуют два протона,
только по-другому сгруппированы четыре оставшихся протона – три
напротив одного. Связанные с тройкой протонов атомные электронные
лепестки стационарны и имеют разную полярность. По этой причине они
24
слипаются друг с другом и не способны сформировать в пространстве
положительные валентные связи с другими атомами. Положительную
валентную связь с другими атомами способен создавать только отдельно
стоящий один электронный лепесток. Вдобавок к этому, остаѐтся
возможность электронные лепестки других атомов затягивать в
пространство между одиноким лепестком и слипшейся тройкой лепестков.
Это опять равносильно образованию в пространстве двух отрицательных
валентных связей. Таким образом, такая ядерная оболочка способна
создавать в электронной атомной оболочке либо одну положительную
валентную связь, либо две отрицательные валентные связи.
Изображение 7. В ядерной p-оболочке отсутствует один протон.
Связанные с пятью протонами атомные электронные лепестки слипаются
друг с другом и не способны сформировать в пространстве положительные
валентные связи с другими атомами. Однако в разрыве с отсутствующим
протоном, крайние электронные лепестки, отталкиваясь друг от друга,
способны затягивать в пространство между собой один электронный
лепесток других атомов. Это равносильно образованию в пространстве
одной отрицательной валентной связи.
Изображение 8. Ядерная p-оболочка заполнена наполовину тремя
протонами. Так же, как и в четвѐртом изображении, атомные электронные
лепестки формируют в пространстве три положительные валентные связи
с другими атомами. Эти электронные лепестки, отталкиваясь друг от
друга, тоже способны затягивать в пространство между собой электронные
лепестки других атомов с образованием в пространстве трѐх
отрицательных валентных связей.
Изображение 9. Ядерная p-оболочка заполнена полностью. У шести
атомных электронных лепестков, связанных с p-протонами, направления
вращения электронов поочерѐдно меняются, в любых местах
соприкосновения электроны двигаются в одном направлении. По этой
причине все шесть лепестков слипаются в замкнутую торообразную
электронную оболочку, не способную формировать валентные связи.
Изображение 10. Плоский изомер ядра Be8 может быть составной частью
более крупных ядер. Здесь образована замкнутая p-подоболочка из
четырѐх протонных лепестков. У четырѐх атомных электронных
лепестков, связанных с p-протонами, направления вращения электронов
поочерѐдно меняются, в любых местах соприкосновения электроны
двигаются в одном направлении. По этой причине все четыре лепестка
слипаются в замкнутую торообразную электронную оболочку, не
способную формировать валентные связи.
Изображение 11. Две полностью заполненные ядерные оболочки
формируют атомные электронные оболочки, которые не способны
формировать валентные связи. Зато одинокий стационарный электронный
лепесток, связанный с протонным лепестком на оси симметрии способен
сформировать одну положительную валентную связь с другими атомами.
25
Изображение 12. Два стационарных электронных лепестка, связанных с
протонными лепестками на оси симметрии способны сформировать две
положительные валентные связи с другими атомами.
Рассмотренные выше примеры показывают, что атомы с разной
валентностью, должны иметь разную конфигурацию ядра, даже если это
атомы одного изотопа с одинаковым количеством протонов и нейтронов.
Покажем это на примере атомов азота. Согласно экспериментальным
данным, валентность атомов азота может принимать следующие значения:
-3,-2,-1,+1,+2,+3,+4,+5. В природном азоте изотоп N14 составляет
99,634%, поэтому с большой долей вероятности можно предположить, что
все значения валентности применимы именно к изотопу N14. Ниже
показаны конфигурации ядра изотопа N14 с разной валентностью.
Рисунок 8-3. Ряд конфигураций ядер изотопа N14
Конфигурация 1. Валентность V=+1 определяется осевым протоном.
Официальное обозначение электронного облака: 1s 6p.
Конфигурация 2. Валентность V=+1 определяется осевым протоном.
Официальное обозначение электронного облака: 2s 1s 4p.
Конфигурация 3. Валентность V=+2,-1. Осевые протоны формируют две
положительные валентности, а p-оболочка задаѐт одну отрицательную.
Официальное обозначение электронного облака: 1s 1s 5p.
Конфигурация 4. Валентность V=+1,-2. Осевые протоны формируют одну
положительную валентность, а p-оболочка задаѐт две отрицательные.
Официальное обозначение электронного облака: 2s 1s 4p.
Конфигурация 5. Валентность V=+3 или -3 определяется p-оболочкой.
Официальное обозначение электронного облака: 2s 2s 3p.
Конфигурация 6. Валентность V=+4 определяется двумя p-оболочками и
одним осевым протоном. Официальное обозначение соответствующего
такому ядру электронного облака: 1s 1s 2p 2s 1p.
Конфигурация 7. Валентность V=+5 определяется двумя p-оболочками и
двумя осевыми протонами. Официальное обозначение соответствующего
такому ядру электронного облака: 1s 1s 2p 2s 1p.
Чем больше у нуклона в тесном соприкосновении соседних нуклонов
с ядерными силами притяжения, тем больше нуклон сжимается.
Минимальной энергии ядра должна соответствовать максимальная энергия
связи. При переходе ядра из возбужденного состояния в состояние с
меньшим
уровнем
энергии
происходит
сжатие
нуклонов,
сопровождающееся выбросом излишней массы посредством излучения -
кванта. При обратном переходе ядра в состояние с большим уровнем