3.4.7. Диагональная аналогия.

Как указывалось в разделе 3.3, тенденция изменения свойств элементов противоположна для периодов и подгрупп. В связи с этим можно ожидать проявления определенного сходства между элементами, располагающимися в периодической системе по диагонали. Этот вид аналогии называют диагональной. Для проявления диагональной аналогии необходимо, чтобы то или иное свойство изменялось при перемещении на одно место в периоде и на одно место в группе на одну и ту же по абсолютному значению величину. Это условие более или менее удовлетворительно выполняется лишь для пар бериллий-алюминий, бор-кремний и, в меньшей степени, литий-магний. Диагональные аналоги не являются ни типовыми, ни электронными аналогами, для них характерны разные степени окисления; формулы образуемых ими оксидов, гидроксидов, кислот, солей, гидридов и других соединений не являются однотипными, однако некоторые общие признаки им присущи. Так, электроотрицательность бериллия и алюминия, элементов разных групп и периодов, практически совпадает (1,57 и 1,61 по Полингу), и бериллий, и алюминий - легкие, не корродирующие на воздухе металлы, взаимодействующие как с кислотами, так и со щелочами; они образуют амфотерные оксиды и гидроксиды. Соли бериллия и алюминия аналогичны по растворимости, гидриды обоих металлов - полимерные соединения, являющиеся активными восстановителями.

Учет рассмотренных выше типов аналогии, присущих периодической системе, и закономерностей изменения свойств элементов в периодах и подгруппах необходим для более достоверного прогнозирования свойств элементов и их соединений.

4. Атомное ядро. Радиоактивность

4.1. Элементарные частицы

Атомное ядро - это центральная часть атома, в которой сосредоточена основная масса последнего (около 99,9%). Ядра атомов представляют собой сложные образования, структурными элементами которых являются элементарные (фундаментальные) частицы.

В настоящее время известно свыше 350 элементарных частиц, различающихся по массе, заряду, спину, устойчивости и другим характеристикам. Они могут быть классифицированы по присущим им типам взаимодействия. Можно выделить четыре типа взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Гравитационные взаимодействия присущи всем элементарным частицам и не могут быть использованы для их классификации. Электромагнитные взаимодействия осуществляются на любых расстояниях и протекают за время, превышающее 10^-16 с. Слабые взаимодействия примерно в 100 раз слабее электромагнитных; они характеризуются конечным радиусом действия и временем, превышающим 10^-10 с. Сильные взаимодействия превышают слабые примерно в 10¹³ раз; радиус действия и время протекания их чрезвычайно малы (величины порядка 10^-3 пм и 10^-23 с). Примеры сильных и слабых взаимодействий будут приведены ниже.

По типам взаимодействия элементарные частицы делят на три группы:

1. Фотон. Единственная частица, участвующая, наряду с гравитационными, только в электромагнитных взаимодействиях.

2. Лептоны. Частицы, участвующие как в электромагнитных, так и в слабых взаимодействиях. К лептонам относят 6 частиц: электрон, мюон, -лептон и три вида нейтрино, соответствующих каждой из указанных выше частиц.

3. Адроны. Частицы, участвующие во всех видах взаимодействий. Адронов известно более двухсот. Они подразделяются на мезоны, имеющие нулевой или целый спин (в единицах ) и барионы, частицы с полуцелым спином. К мезонам, в частности, относятся -мезоны или пионы, а к барионам протон и нейтрон.

Каждой элементарной частице соответствует античастица, отличающаяся от частицы знаком заряда или, при отсутствии последнего, знаком проекции спина частицы на направление магнитного поля; в некоторых случаях античастицы тождественны частицам.

Излагаемая в следующем разделе теория строения атомного ядра предполагает знакомство с такими элементарными частицами, как фотон, электрон и отвечающая ему античастица позитрон, электронное нейтрино и соответствующее ему антинейтрино, протон, нейтрон и -мезоны. Некоторые характеристики этих частиц (заряд, масса, спин, период полураспада) сопоставлены в табл. 10.

Как следует из табл. 10, фотон, электрон, позитрон, протон, нейтрино и антинейтрино являются стабильными частицами. Нейтрон вне атомного ядра неустойчив. Распад нейтрона протекает по уравнению

n  p + e^- +

и является примером слабого взаимодействия; среднее время жизни нейтрона - 1040 с. Еще менее устойчивы пионы: среднее время жизни для ⁺ и ^- составляет 2,5610^-8 с, а для ⁰ - 2,3110^-16 с.

Позитрон и пи-мезон минус являются античастицами в отношении электрона и пи-мезон плюс, от которых отличаются зарядом. Подобные античастицы при столкновении с соответствующей частицей подвергаются аннигиляции; при этом масса частиц полностью превращается в электромагнитное излучение. Так, взаимодействие электрона и позитрона протекает по уравнению

e^- + e⁺  2h

с образованием двух фотонов.

Нейтрино и антинейтрино, не имеющие заряда частицы исчезающе малой массы, отличаются по знаку проекции спина на направление магнитного поля.

Элементарные частицы не следует, однако, рассматривать как некий предел делимости материи. В настоящее время успешно развивается теория строения адронов. Полагают, что все адроны построены из шести субъядерных частиц, получивших название кварков и антикварков (М. Гел-Манн и Г. Цвейг, 1964). Так мезоны являются дикварками (сочетание кварка и антикварка), барионы - трикварками. В рамках кварковой теории число "истинных" элементарных частиц ограничивается фотоном, лептонами и шестью кварками. Заметим, однако, что попытки выделить свободные кварки до сих пор не увенчались успехом.

Таблица 10.

Характеристики некоторых элементарных частиц

	Частица	Символ	Заряд, эл.е.з.	Масса покоя			Спин, 	Период, полурас-пада, с
				кг	а.е.м.	Эл.е.м.
	Фотон		0	0	0	0	1	
Лептоны	Электрон	е-	-1	9,1095310-31	5,4858010-4	1	1/2	
	Позитрон	е+	+1	9,1095310-31	5,4858010-4	1	1/2	
	Нейтрино		0	4,510-34	310-7	510-4	1/2	
	Антинейтрино		0	4,510-34	310-7	510-4	1/2	
Адроны	Пи-мезон плюс	+	+1	2,4896310-28	0,14991	273,3	0	1,810-8
	Пи-мезон минус	-	-1	2,4896310-28	0,14991	273,3	0	1,810-8
	Пи-мезон нуль	0	0	1,2297910-28	0,07405	135,0	0	1,610-16
	Протон	р	+1	1,6726410-27	1,00728	1836,1	1/2	
	Нейтрон	n	0	1,6749610-27	1,00867	1838,7	1/2	720