Технеций и олово

   Вместо эпиграфа: три ноги у собаки – это плохо; пять ног у собаки – ещё хуже!

   Несмотря на такой странный эпиграф, речь, всё же, пойдёт о двух элементах Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Не так давно от одного читателя и критика моих опусов по темам науки получил неожиданный вопрос: почему у элемента технеций нет ни одного стабильного изотопа? Честно сказать, то, что у технеция нет стабильных изотопов, – этого даже не знал. Мой критик решил, что если я являюсь автором нового толкования явления ядерной и атомной периодичности, то все детали и тонкости Периодической системы Менделеева должны быть мне известны. Тем более, я должен хорошо разбираться в явлении изотопии. Увы, это не так! Я знаю о явлении изотопии, но вникать во всю сложность этой обширной темы мне не приходилось. С трёхтомником И. П. Селинова «Изотопы» я познакомился в январе 1990 года, когда решил перепроверить свои результаты по теоретическим значениям атомных масс. Моя новая идея природы периодичности позволяла выводить теоретические значения атомных масс, и первый подсчёт дал лишь 13 точных совпадений теоретических масс атомов с массами существующих стабильных изотопов элементов (1986 г.). Мало, конечно! Утешало только то, что точные совпадения имелись во всех периодах системы химических элементов. Знакомство с трёхтомником Селинова увеличило число совпадений до 33 элементов. Это был триумф идеи, безусловная победа! Именно тогда мои старшие товарищи посоветовали мне – связаться с академиком Г. Н. Флёровым (Дубна, ОИЯИ). Эта встреча состоялась в марте 1990 года, в Москве, в квартире академика.

   После неожиданного вопроса моего критика о технеции, я подумал – может быть, стоит познакомиться с этой темой ближе, узнать – почему у элемента технеция нет вообще стабильных изотопов? Ведь этот элемент не относится к группе тяжелых и сверхтяжелых трансурановых элементов, а размещается в пятом периоде системы элементов под номером 43, и имеет примерно 95 углеродных единиц массы (95Тс, атомных единиц массы). Рядом с технецием размещаются другие элементы, но они имеют стабильные изотопы, причём – не единственные. В этом же пятом периоде системы элементов есть ещё один феномен – элемент олово, который имеет десять стабильных изотопов, самое большое число из всех элементов системы! Олово отстоит от технеция далее всего на семь клеток системы, и имеет порядковый номер 50, с примерной массой – 116 у.е.м (116Sn). Так как распад и деление – явление ядерного порядка, то надо просто сравнить ядерные строения технеция и олова, и тогда многое будет ясно! Когда же я окунулся в обилие материалов в сети на тему нестабильности изотопов технеция, то получил холодный отрезвляющий душ. Тема оказалась очень и очень непростой, ясности и единого мнения у учёных нет до сих пор.      

   В природе в чистом виде технеция нет, он имеется только в связанном состоянии, в виде простых и сложных соединений. В чистом виде технеций был получен учёными только в 1937 году. Отсутствие его в природе в чистом виде объясняется нестабильностью его изотопов, которые распадаются с разными по времени сроками – от миллисекунд до миллионов лет. Возраст Земли насчитывает четыре с половиной миллиарда лет. Так что, если и был технеций в чистом виде сначала, то со временем он распался или вошел в соединения с другими элементами. Элемент технеций есть один из продуктов распада ядер урана и тория. Также технеций возникает в результате захвата нейтронов элементом молибден.      

   У элемента технеций обнаружено и синтезировано на сегодняшний день 33 изотопа. Все они нестабильны, распадаются с разными сроками. Путей ядерного распада технеция немного, всего три: электронный   захват, бета-минус-распад и изомерный переход. Для изотопов легче 98Тс основным каналом распада является захват электронов с образованием соответствующих изотопов элемента молибдена. Почти все радиоактивные превращения изотопов технеция сопровождаются гамма-излучением, так называемым изомерным переходом (есть исключения). При электронном захвате, один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, частицу без заряда. При этом испускается электронное нейтрино. Заряд ядра технеция при этом уменьшается на единицу; изотоп технеция превращается в изотоп молибдена. Масса элемента при этом сохраняется. Для 98Тс и более тяжелых изотопов основной способ распада – бета-минус-распад с образованием элемента рутения (есть исключения). Ядро изотопа технеция испускает электрон (бета-минус-частицу) и антинейтрино. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остаётся неизменным. Вот таким образом неустойчивые изотопы технеция превращаются в относительно устойчивые изотопы молибдена и рутения, соседей технеция слева и справа соответственно.      

   Хотя явление изотопии, процессы распадов, делений, превращений – явления ядерные, вроде бы, не связанные с электронными оболочками атомов, но следует обратить внимание именно на электронно-графическую схему атомов. Скажу крамольную вещь, которую пока не желают признавать специалисты. Электронная периодичность в электронных оболочках атома напрямую связана с ядерной периодичностью в ядерных оболочках! Ядерная периодичность в ядерных оболочках является доминирующей, главенствующей! В известном смысле, под сомнение ставится само существование       электронных оболочек, вынесенных далеко за пределы атомного ядра. Присутствие электронов и позитронов в атоме не отрицается, но вопрос: где и как они пребывают в атоме?! Явление электронного захвата (протон захватывает электрон с оболочки и превращается в нейтрон) определённо говорит о том, что электроны и позитроны в атоме находятся в гораздо тесном соседстве с протонами и нейтронами ядра, чем нам представлялось многие годы. Между нуклонами ядра и электронами с позитронами – нет пропасти больших расстояний! Можно сказать, электронная периодичность есть на самом деле ядерная периодичность! В сущности, об этот говорит и открытый мной новый подход к пониманию явления атомной и ядерной периодичности, сделанный в 1984 году, изображаемый новым спиральным вариантом Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. А также позволяющий выводить теоретические значения атомных масс элементов. Однако вернёмся к этой теме ниже.    

   На Рис. 1 представлена электронно-графическая схема атома технеция, которую можно толковать и как ядерную, оболочечную, нуклонно-графическую схему технеция. Ядерный 4d-подуровень оболочки технеция имеет пять частиц-зарядов с неспаренными спинами. Все прочие ядерные уровни заполнены. В сущности, тут мы имеем спин-орбитальный дисбаланс, спин-орбитальную асимметрию, приводящую к энергетической нестабильности, к излишней энергозатратности ядерной и атомной системы. Будь общее число неспаренных спинами частиц-зарядов в ядре технеция чётным, то мы бы не имели такой фатальной нестабильности изотопов этого элемента. Чётность, парность частиц-зарядов – одно из главных условий стабильности атомных и ядерных систем, стабильности изотопов! Элемент технеций можно сравнить с «пятиножной собакой». Когда у собаки три ноги – она может ходить, и даже бегать, хотя и плохо. Когда у собаки пять ног – становится и ходить, и бегать проблематично, трудно согласовать движение пяти ног. Одну ногу нужно как-то подгибать, убирать, чтоб не мешала другим четырём! Что, собственно, и делает ядерный распад технеция!   

   На Рис. 2 представлены продукты распада технеция – молибден (Мо42) и рутений (Ru44). Стабильный изотоп молибдена образовался в результате электронного захвата и превращения протона в нейтрон. Заряд ядра уменьшился на единицу, и технеций стал молибденом. Частиц с неспаренным спином стало чётное количество, шесть. «Пятиножная собака» стала шестиножной. Стабильный изотоп рутения образовался в результате бета-минус-распада. Ядро технеция испустило электрон, один из избыточных нейтронов ядра превратился в протон, заряд ядра увеличился на единицу. Технеций стал рутением. Количество частиц с неспаренным спином стала чётным, четыре. «Пятиножная собака» превратилась в четырёхножную. При этом массы ядер не изменились.   

   Вам может показаться смешной такая аналогия между чётностью или нечётностью, спаренностью или неспаренностью спинов частиц-зарядов в атомных и ядерных системах, и ногами, особенностью перемещения живых существ! На самом деле тут есть общее, которое заключается в согласованности, в противофазности, в синхронности движения при большем количестве пар! Человек ходит и бегает на двух ногах. Это аналогия двух частиц со спаренными спинами (ядро дейтерия; хотя, лучше – молекула водорода). Собака бегает и ходит на четырёх лапах. Это аналогия четырёх частиц со спаренными спинами в паре протон-нейтрон (ядро атома гелия). Большинство насекомых имеют три пары лапок. При их перемещении движение лапок не хаотично, а согласованно, ритмично. При трёх пар лапок некоторые насекомые – отличные бегуны! Но самые удивительные существа в этом смысле – сороконожки (многоножки)! Что интересно, количество пар у многоножек всегда нечётно, от 15 до 191! Но общее количество ножек – чётно. Даже невозможно вообразить – как многоножка умудряется перемещаться, и довольно быстро, с таким количеством лапок! Ясно, что контролировать движение каждой лапки она не может. Тут какой-то  врождённый механизм в виде синхронизированных волновых импульсов, пробегающих по телу насекомого.

   И вот теперь время – поговорить об олове (Sn50). Как сказано выше, олово тоже из пятого периода системы элементов, что и технеций. Олово, что существенно, принадлежит к четвёртой группе системы элементов (технеций – к седьмой). Олово – рекордсмен по количеству стабильных изотопов – 10! Ни у какого другого элемента подобного нет. Элемент олово – «сороконожка». Посмотрите на электронно-графическую схему олова (Рис. 3), но рассмотрим схему теперь также в плане ядерных оболочек. На ядерном 5p-уровне имеются две не спаренных спинами частицы-заряда. Но общее количество частиц-зарядов – чётно. Олово имеет «магическое число» протонов в ядре атома – 50, что обусловливает высокую энергию связи между нуклонами, особую устойчивость ядра. 25 пар протонов в ядре и 25 пар электронов на электронных орбиталях – как 25 пар лапок сороконожки, совершают согласованные периодические движения, образуя единую динамическую устойчивую систему, с минимумом общей энергии.      

   Ранним аналогом технеция является элемент четвёртого периода системы элементов – марганец, с зарядом ядра 25 (Mn25). Элемент марганец тоже можно назвать «пятиножной собакой». Только пять не спаренных спинами частиц-зарядов находятся не на ядерном 4d-уровне, как у технеция, а на 3d-уровне. Ядро атома марганца меньше по массе и заряду, с меньшим количеством нейтронов. В природе в чистом виде марганец не встречается, только в простых и сложных соединениях, как и технеций. Марганец и технеций – элементы седьмой группы системы элементов, проявляющие различную валентность, особенно технеций, валентность которого варьирует от одного до семи. Есть у марганца, в сравнении с технецием, один устойчивый изотоп с массой – 55 у.е.м. И больше тридцати неустойчивых изотопов марганца, полученных искусственно. Устойчивость единственного изотопа марганца (55Mn), в сравнении с технецием, объясняется меньшей массой ядра атома марганца и меньшим количеством нейтронов. Тут нет, как у технеция, такой острой энергетической проблемы с «пятой ногой».      

   В науке об атомном ядре существует устоявшееся убеждение о «золотой середине», о балансе нейтронов и протонов в атомном ядре, которое определяет стабильность ядра или продолжительную жизнь ядра. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Если протонов слишком много, то ядро разорвёт электрическая сила отталкивания. С другой стороны, если нейтронов окажется слишком много, то ядро распадётся из-за бета-распада. Свободный нейтрон – частица нестабильная; а если нейтронов в ядре слишком много, то часть нейтронов – почти «свободны», предрасположенные к распаду. Другими словами, есть «золотая середина» в балансе нейтронов и протонов, когда ядро оказывается стабильным или долгоживущим.

   Из этой, в общем-то, логичной версии «золотой середины» выпадает один важнейший момент – нейтроны и протоны в атомном ядре находятся в состоянии динамического равновесия! Ядерные частицы – в постоянном движении, в движении циклическом, периодическом, спиновом. При этом между ядерными частицами происходит постоянный обмен другими частицами, полевыми квазичастицами,   превращающими протоны в нейтроны, а нейтроны – в протоны. Поэтому в ядре частицы протоны и нейтроны – неразличимы, и имеют общее название – нуклон! Надо понять, что между ядерными частицами действуют не обычные электростатические силы притяжения или отталкивания, а силы, вызванные обменным взаимодействием магнитных вихревых полей левого и правого вращения. «Золотая середина» – в равновесии, в балансе этих динамик, в балансе обменных взаимодействий. Вот почему такую большую роль играет чётность, парность частиц в системе! 

   Найденный мной в 1984 году принцип связи между нуклонами в атомном ядре и устойчивости ядерных оболочек основан на периодичности, цикличности динамик нуклонов. Периодичность динамик нуклонов обусловила и механизм связи нуклонов в оболочке и между оболочками. Ключевой фактор – угловой момент, кратный величине Пи (в радианах). Любую периодическую динамику частицы или тела (вращательную, колебательную) можно выразить синусоидой, периодической функцией. Когда в своей кольцевой динамике частица-осцилляция – одна, одинока, то имеем замкнутый цикл, кольцо. Когда частиц-осцилляций две, то между ними неизбежно возникнет обменное взаимодействие квазичастицами вихревого поля! Устойчивость пары будет лишь при условии, когда их фазы периодического вращения в величинах Пи синхронизированы, находятся в противофазе: Пи и 2Пи. Тут синхронизировано обменное взаимодействие нуклонов квазичастицами вихревого поля. Когда частиц в оболочке восемь, то вместе они составляют синусоиду, полный период, где значение фазы каждой частицы в каждый момент времени кратно Пи/4. А в целом – 2Пи. Именно эту идею и отражает спиральный вариант Периодический системы хим. элементов Д. И. Менделеева (Рис 4).

   И, как выше я говорил, эта идея позволяет выводить теоретические значения атомных масс элементов (Рис. 5). Когда же рождался этот вариант системы элементов, я имел лишь поверхностное представление о явлении изотопии: клеточка элемента системы одна, но в ней умещаются несколько изотопов элемента, вплоть до десятков и более. А различие – лишь в количестве нейтронов в ядре атома.       
               
   Моя таблица теоретических значений атомных масс хим. элементов – идеальный, «стерильный» подход, не берущий в расчёт явление изотопии. Не только таблица теоретических значений масс, но и сам взгляд на строительство и структуру ядерных оболочек тоже грешат идеализированностью. Сознаюсь в этом прямо! И всё же, несмотря на эти слабые, уязвимые места теории, идея сама по себе интересна, плодотворна, красива! Идея Пи-периодичности существует уже более сорока лет, но я не откажусь от неё, т. к. верю в эту идею. И те сложности теории, надеюсь, будут со временем преодолены, объяснены. Да, было бы легко и просто, если бы не было этого «проклятья» изотопии, а имелось бы полное соответствие количества протонов и нейтронов в атомном ядре: 2 протона – 2 нейтрона, 6 протонов – 6 нейтронов, 12 протонов – 12 нейтронов; у технеция: 43 протона – 43 нейтрона и т. д. И соответственно у атомов элементов имелись бы массовые числа: 4, 12, 24, 86… Но, увы, такой наивной правильности тут нет! Смею думать и ищу утешение в том, что при этой правильности, идеальности, при этом полном соответствии не было бы разнообразия и многоцветия нашего мира! Изотопия вообще и нейтронная изотопия, разрушая эту идеальность, создают новую гармонию, более сложную, но прекрасную…      



   К сожалению, здесь нет возможности - публиковать иллюстрации. Так что предлагают адрес материала, где эти иллюстрации имеются. Можно зайти и посмотреть.

   https://dzen.ru/a/aJGHLjvz7hB28p3y