Обычно когда речь идёт о стабильности ядра атома, то школьные учебники и популярная наука останавливаются на самом простом объяснении. Я сам его приводил в ролике по этой теме. Мы представляем себе некоторый баланс сил между сильным взаимодействием и кулоновским отталкиванием. В стабильном атоме эти явления скомпенсированы.
Но если атом больше некоторого предела, то ядра разваливаются по той причине, что два протона, имеющие одинаковый электрический заряд, отталкиваются друг от друга. При этом электростатическое отталкивание, которое тут проявляется, работает на бОльших расстояниях, чем сильное взаимодействие между протонами. Вот и выходит, что тяжелые атомы не могут похвастаться большой стабильностью.
Этого объяснения вполне достаточно в обычных случаях и оно правильное. Но есть один нюанс. Причём, я напрочь забыл это отразить в материале по теме и спасибо пытливым умам, которые задают порой отличные вопросы по теме.
Это не всегда работает именно так. Рассмотрим простой случай. Есть так называемый дейтрон - один протон + один нейтрон. Он стабилен. Тут наша логика работает. Ведь логично, что + и нейтральный заряд вполне могут подружиться.
Теперь возьмем два нейтрона и протон. Получим то на то - два нейтральных против одного плюса. Но если вы изучите свойства трития, то он окажется радиоактивным. Это ядро, которое распадается и... Как тут быть? Получается, что не только отталкивание Кулона играет роль при распаде? Ведь в тритие нечему отталкиваться?
Ответ оказывается намного глубже, чем механическое “отталкивание”. Чтобы понять, почему тритий распадается, нужно заглянуть в фундаментальную логику материи.
Нейтрон выглядит как нейтральная частица, просто тяжёлый компаньон протона. Но внутри он из трёх кварков. Протон – это комбинация uud, нейтрон – udd. Разница только в одном кварке, но она меняет энергию системы. Это как в химии разные молекулы имеют разную устойчивость, хоть и состоят из тех же элементов.
Стабильное ядро - это энергетический баланс. Если энергия системы меньше с другим составом кварков, система изменится.
Стабильный водород (протий) - просто протон. Стабильный дейтерий - 1 протон + 1 нейтрон. Там нейтрон как бы опускает энергию системы и он нужен. Но когда добавляется ещё один нейтрон, как в тритии получается слишком высока энергия связанного состояния. То есть ядро в целом получается энергетически невыгодным. И оно снижает энергию, превращаясь в гелий-3.
Сильное взаимодействие (то самое, что удерживает ядра) отлично работает на коротких расстояниях. Оно действительно не хочет разрушать тритий.
Но существует ещё слабое взаимодействие, которое меняет тип кварков внутри нейтрона. Оно отвечает за бета-распад. Никакое сильное взаимодействие этому не препятствует.
Парадокс в том, что ядро не разваливается от силы, оно перекодируется слабым взаимодействием.
Энергия связи трития ≈ 8,48 МэВ, а энергия связи гелия-3 ≈ 7,72 МэВ на частицы, что выгоднее! Если система может прийти к более энергетически выгодному состоянию, то она придёт.
В тритии нейтронов слишком много, чтобы они “окупали” себя прочностью связи, но недостаточно много, чтобы уже включились другие эффекты стабильности (как в больших ядрах). Вот вам, в общем-то, и ответ.
Хочется помочь проекту, но нет возможности купить премиум? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️. Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями