После открытия Менделеевым в 1869 году периодической системы элементов, и открытия в июне 1937 г. итальянскими учеными - химиком Карло Перрье и физиком Эмилио Сегре искусственных элементов возникла необходимость систематизации открытых элементов уже не только по химическим, но по физико-химическим свойствам. Для описания этих свойств использовали термин «нуклид».
Термин «нуклид» был предложен в 1947 г. американским химиком Т. Команом, и благодаря практическому удобству получил широкое распространение. Химический элемент, таким образом, определяется как множество нуклидов с данным значением Z, которые обозначались соответствующим массовым числом атома А. Например, кальций (Са) с порядковым номером 20 по современным представлениям имеет атомный вес 40.
Анализ наблюдаемой плотности кальция (1550 кг/м^(3)), позволяет утверждать, что атомный вес кальция равен 20, таким образом в своём стабильном состоянии кальций содержит 20 протонов. [1]
Мне, к сожалению, не известно, когда именно начала создаваться известная сегодня таблица нуклидов, но по данным доктора ф-м наук, директора отраслевого Центра радионуклидных данных Радиевого института им. В.Г. Хлопина В.П.Чечева в России она впервые появилась в 1998 году. В этой таблице (карте) была предпринята попытка систематизировать известные данные о нуклидах.
Как видно из рисунка кальций имеет 6 стабильных нуклидов (40, 42, 43, 44, 46), два долговременных (полустабильных) (41, 48) и остальные короткоживущие (нестабильные).
К сожалению, данная таблица мало информативна, так как не даёт представления о том, во-первых, почему разные нуклиды имеют разную стабильность, а во-вторых, какими закономерностями определяется влияние изменения состава ядра на его стабильность.
Попыткой ответить на эти вопросы является волчково-симметричная модель атомного ядра. Суть которой заключается в том, что атомное ядро имеет строго структурированную конструкцию.
Основой ядра является центральная ось, состоящая из нечетного числа протонов. По центру оси размещается главная орбита, на которой размещаются орбитальные протоны в количестве, не превышающем числа протонов входящих в состав оси. Выше и ниже главной орбиты в зависимости от числа протонов на оси размещаются дополнительные орбиты. Поскольку эти орбиты парные, то каждая пара обозначается как отдельная дополнительная орбита.
Так, для кальция ось состоит из семи протонов. Для основного нуклида главная орбита содержит пять протонов. В ядре кальция может размещаться до трёх дополнительных орбит. Для основного нуклида заполнена только первая дополнительная орбита, на которой размещается по 4 протона на каждой подорбите. Таким образом, всего в состав основного нуклида кальция входит: 7 протонов оси, 5 протонов главной орбиты, 8 (4+4) протонов первой дополнительной орбиты, остальные орбиты не заполнены. Итого: 7 + 5 + 8 = 20. Важной особенностью этой структуры является незаполненные вторая и третья орбиты, что обеспечивает нуклиду неограниченную стабильность.
Аналогичную структуру имеют и другие нуклиды кальция.
(первое число – число протонов в оси;
второе – число протонов на главной орбите;
третье – число протонов на первой дополнительной орбите;
четвёртое - число протонов на второй дополнительной орбите;
пятое - число протонов на третьей дополнительной орбите;
в скобках указана атомная масса по принятой в настоящее время классификации)
Стабильные нуклиды:
Кальций 20 (40) – 7/7/6
Кальций 22 (42) – 7/7/8
Кальций 23 (43) - 7/7/9
Кальций 24 (44) – 7/7/10
Кальций 26 (46) – 7/7/12
Полустабильные (долговременные) нуклиды:
Кальций 21 (41) – 7/6/6/2
Кальций 28 (48) – 7/7/12/2
Нестабильные нуклиды:
Кальций 17 (37) – 7/2/4/2/2
Кальций 18 (38) – 7/3/4/2/2
Кальций 19 (39) – 7/4/4/2/2
Кальций 25 (45) – 7/4/8/4/2
Кальций 27 (47) – 7/4/8/4/4
Кальций 29 (49) – 7/6/8/4/4
Кальций 30 (50) – 7/7/8/4/4
Как хорошо видно из приведенных данных полная стабильность нуклидов обеспечивается двумя свободными дополнительными орбитами: второй и третьей. Поустабильность, уже только одной свободной дополнительной орбитой: третьей. И если заполнены все три дополнительные орбиты, то нуклиды становятся нестабильными.
Таким образом, предлагаемая волчко-симетричная модель позволяет не только объяснить природу стабильности или нестабильности нуклидов, но и предсказать свойства ещё неоткрытых нуклидов.
[1] Нейтронов в ядре нет. Нейтроны представляют собой вырожденный атом водорода, который образуется во время ядерного распада, и как самостоятельные элементарные частицы не существуют.