الاستقرار النووي

تحتوي النواة على معظم كتلة الذرة وهي ضئيلة الحجم مقارنة بالذرة الكاملة. متوسط كثافة النواة أعلى بتسعة ترليون مرة من كثافة الأوزميوم:وهو أعلى العناصر كثافة! لو كانت كثافة الكرة الأرضية ككثافة النواة،لكان حجمها أصغر بـ30, 000 مرة.

لماذا هذه الكثافة العالية للنواة؟ترتبط النويات ببعضها البعض بواسطة القوة النووية الكبيرة قصيرة المدى. التوازن بين تنافرات البروتونات معاًوتجاذبات النويّات معاًهو الذي يحدد استقرار النواة. عندما ترجح تنافرات البروتونات على قوى التجاذب النووية،تتفكك النواة.

تمثيل النوكليدات بيانيًا على أساس أعداد البروتونات والنيوترونات،يوضح أن النويات المستقرة تُشغل منطقة المركز،المشار إليها باللون الأزرق،والتي تُسمى حزام الاستقرار أو وادي الاستقرار. النوكليدات الأخف وزنًا التي فيها نسب النيوترونات إلى البروتونات تساوي 1،مثل الكربون-12،تحظى باستقرار أكبر. عندما يرتفع العدد الذري ليصبح أكثر من 20،يُتطلب وجود مزيد من النيوترونات لموازنة التنافرات بين البروتونات.

تنجذب النيوترونات إلى بعضها البعض بواسطة قوى نووية،بينما لا توجد تأثيرات متبادلة تنافرية فيما بينها. بالتالي فإن الزيادة في عدد النيوترونات تعزز القوة النووية بشكل كبير. نسبة النيترونات إلى البروتونات في جميع النوكليدات المستقرة الأثقل وزنًا أكبر من 1.

تتعرض النوكليدات المشعة التي تمتاز بارتفاع نسبة النيوترونات إلى البروتونات عادة إلى اضمحلال بيتا السالب،الذي يحوّل النيوترونات إلى بروتونات. بالتالي تنخفض نسبة النيوترونات إلى البروتونات،لينتج عن ذلك نوكليدة وليدة أقرب إلى حزام الاستقرار على المخطط. النوكليدات التي تمتاز بانخفاض نسبة النيوترونات إلى البروتونات،تُصدر بوزيترونات أو تتعرض لالتقاط إلكترون،لتحويل البروتونات إلى نيوترونات وبالتالي،تقترب أكثر من حزام الاستقرار.

من الملفت أنه مثلما تقيم أزواج الإلكترونات في المدارات،فإن أزواج البروتونات وأزواج النيوترونات يلاحظ وجودها في النواة. عندما تكون أعداد البروتونات والنيوترونات زوجية،تكون النويات مستقرية بشكل كبير لأن جميع النويات تكون قادرة على الاقتران. لا توجد سوى خمس نوكليدات مستقرة فقط في حال العدد الفردي للنيوترونات والبروتونات.

النويات ذات أعداد معينة من البروتونات أو النيوترونات تكون أكثر استقرارًا مما هو متوقع،مما يجعل هذه الأعداد تُسمى أعدادًا سحرية. تُسمى النويات ذوات الأعداد السحرية من البروتونات والنيوترونات مزدوجة العدد السحري. جميع النويات التي تمتلك عددًا ذريًا أعلى من 82 مشعّة.

لكن البزموت-209،الذي عدده الذري 83،يمتاز بعمر نصف أطول استثنائيًا بين النوكليدات المشعة. في نوكليدة بعيدة عن حزام الاستقرار،تكون سلسلة الاضمحلال عبارة عن سلسلة من عمليات اضمحلال،تصل عن طريقها،في النهاية،إلى نوكليدة مستقرة.