Нейтроны в ядре атома

       Атомы в периодической системе Менделеева расположены по порядку возрастания числа протонов (положительного заряда ядра). Второе число, характеризующее атом, является количество нейтронов – частиц без заряда. Протоны и нейтроны вместе относятся к ядерным частицам, из которых формируется ядро атома, и совместно с электронами определяет  атом.  Процесс формирования атома идет  в процессе звездной эволюции, где под действием высоких температур и давлений происходит объединение ядерных частиц во все более увеличивающееся число частиц, определяющее ядерное ядро.

   Объединяются протоны, нейтроны,  простейшие соединения протона и нейтрона – дейтерий, протона и двух нейтронов – тритий. Из-за кулоновского отталкивания объединение двух протонов друг с другом  не происходит, между ними обязательно присутствует нейтрон. Ядро выглядит как набор оболочек состоящих из перемежающихся протонов и нейтронов, имеющих общее названием нуклид.

   В периодической системе Менделеева атомы располагаются в порядке увеличения атомного номера – числа протонов в ядре атома. В описании атома в периодической системе приводится также общее число протонов и нейтронов  (массовое число). Число нейтронов определяется как разность между значением массового числа и номеров атома в таблице. Ядра одного и того же элемента с одинаковым числом протонов (Z), но разным числом нейтронов (N) носят название изотопов.  Изотопы отличаются только числом нейтронов, заряд ядра всех изотопов одинаков.


  Атомная масса химического элемента  является средневзвешенной атомной массой всех существующих в природе стабильных и нестабильных изотопов данного химического элемента. В таблице Менделеева представлена средневзвешенная атомная масса элемента с учетом  его процентного распространения  в природе. Использование  последовательных значение атомных масс из таблицы Менделеева приводит к структуре атомного ядра.

     Для начального значения ядра используются первые девять атомов. Пространственная структура растущего ядра увеличивается при каждом шаге, начиная с атома Гелия на один  протон, и числа нейтронов за символом ”+” :  He 2п+2н; Li +2н; Be +1н; B +1н; C +0н; N +1н; O +1н; F +2н; Ne +0н.     Всего в начальном ядре  у Неона 10 протонов и 12 нейтронов.  На рисунке перед заметкой представлен один из вариантов такой сборки.   

   Выбран объем 3х3, использован пространственный конструктор из кубиков, где каждый кубик олицетворяет нуклид. Протон красный, Нейтрон серый. Рисунок из кубиков более нагляден, чем шарики. Кого смущает квадратное ядро, могут разделить число кубиков по периметру  на число Пи = 3,14. Для объема 3х3 число кубиков  (нуклидов) по периметру равно восьми и диаметр сферы в единицах диаметра нуклида равен 8/3,14 = 2,55.

   Ядро 3х3 образуют три слоя. Верхний и нижний содержит по пять протонов и четыре нейтрона, средний слой содержит два нейтрона.  Два нейтрона среднего слоя нейтрализуют кулоновское отталкивание  между верхним и нижним слоями (оболочками). Оболочка состоит из равного числа протонов и нейтронов. Каждая последующая оболочка содержит на четыре нуклона больше чем предыдущая оболочка. Перечень оболочек представлен в таблице под наименованиями 3х3, 5х5, 7х7, 9х9, 10х10, средний, 10х10, 9х9, 7х7, 5х5, 3х3.


 в      3х3           5        1     от №7 N (азот) до №10 Ne (неон)               
 2      5х5           8         2     от №19 K (калий) до № 26 Fe (железо)         
 4      7х7          12        7     от №39 Y (иттрий) до №50 Sn (олово)               
 6      9х9          16       12     от №67 Ho(гольмий) до №82 Pb (свинец)               
 8      10х10      18         5     от №101 Md(менделевий) до №118 Og(оганесон)                средний               
 7      10х10      18       10     от №83 Bi (висмут) до №100 Fm (фермий)               
 5      9х9          16       11     от №51 Sb (сурьма) до №66 Dy (диспрозий)                               
 3      7х7          12        8     от №27 Co (кобальт) до №38 Sr (стронций)               
 1      5х5           8         2     от №11 Na (натрий) до №18 Ar (аргон)               
 н      3х3           5         1     от №3 Li (литий) до №6 C (углерод)               
 
               
   Первый столбец в таблице указывает последовательность  заполнения ядерных оболочек нуклидами. Второй столбец – наименование оболочки. Третий столбец  - число протонов в оболочке. Четвертый столбец – избыток нейтронов образующихся при заполнении оболочки,  Пятый столбец – наименование  атомов соответствующих ядрам  данной оболочке.

    Иллюстрируем заполнение оболочек 5х5.  Первая из них соответствует  третьему периоду таблицы Менделеева со следующее последовательностью число нейтронов: Na +2н; Mg +0н; Al +2н; Si +0н; P +2н; S +0н; Cl +2н; Ar +4н. Вокруг нижней оболочке 3х3 расположены по восемь нейтронов и протонов и три нейтрона переходят на верхнюю оболочку 3х3. Картинка оболочки 5х5 (последняя во втором ряду на  рисунке перед заметкой) соответствует ядру атома Аргона.

      Вторая оболочка 5х5 имеет следующую последовательность числа нейтронов: K -1н; Ca +0н; Sc +4н; Ti +1н; V +2н; Cr +0н; Mn +2н; Fe +0н. Ядро атома Калия образуется превращением среднего нейтрона (из тройки нейтронов перешедших на верхнюю оболочку 3х3 при формировании первой оболочки 5х5). Ядро атома Кальция образуется прибавлением одного протона и показано на первой картинке в третьей строке рисунка перед заметкой. Во второй картинке третьего ряда показано ядро атома Скандия, где средний слой увеличивается на два нейтрона. В последней картинке изображено ядро атома Железа, которым заканчивается вторая оболочка.   

   Вокруг среднего слоя из четырех нейтронов начинает формироваться третья оболочка  7х7 из 12 протонов и 12 нейтронов. Одновременно с формированием третьей оболочки над ней формируется средний слой из восьми нейтронов.   Избыток нейтронов сохраняется в среднем слое. Число этих нейтронов рассчитывается как разность между значением массового числа последнего атома данной оболочки, массовым числом последнего атома предыдущей оболочки, и числом нуклидов в данной оболочке.   


    Вокруг сохранившегося избытка нейтронов в среднем слое формируется следующая оболочка. Для четвертой оболочке избыточное число нейтронов равно семи, для пятой – одиннадцати,  для шестой – двенадцати, для седьмой - десяти, для восьмой – пяти. Восьмой оболочкой полностью исчерпывается известный на сегодня состав периодической системы.

     Наибольшее число избыточных нейтронов у шестой оболочки (9х9). Последний протон шестой оболочки формирует ядро атома Свинца – наиболее устойчивого атома периодической системы.