19.3: Nukleare Stabilität

Protonen und Neutronen, zusammen Nukleonen genannt, sind dicht gedrängt in einem Kern. Mit einem Radius von etwa ^10-15 Metern ist ein Kern recht klein im Vergleich zum Radius des gesamten Atoms, der etwa ^10-10 Meter beträgt. Die Kerne sind im Vergleich zur Massenware extrem dicht und betragen durchschnittlich 1,8 × 10¹⁴ Gramm pro Kubikzentimeter. Entspräche die Dichte der Erde der durchschnittlichen Kerndichte, würde der Erdradius nur etwa 200 Meter betragen.

Um positiv geladene Protonen in dem sehr kleinen Volumen eines Kerns zusammenzuhalten, bedarf es sehr starker Anziehungskräfte, weil sich die positiv geladenen Protonen auf so kurzen Distanzen stark abstoßen. Die Anziehungskraft, die den Kern zusammenhält, ist die starke Kernkraft. Diese Kraft wirkt zwischen Protonen, zwischen Neutronen und zwischen Protonen und Neutronen. Sie unterscheidet sich stark von der elektrostatischen Kraft, die negativ geladene Elektronen um einen positiv geladenen Kern herum hält. Über Entfernungen von weniger als 10 ^{bis 15} Metern und innerhalb des Kerns ist die starke Kernkraft viel stärker als elektrostatische Abstoßungen zwischen Protonen; Über größere Entfernungen und außerhalb des Zellkerns ist sie im Wesentlichen nicht existent.

Ein Diagramm der Anzahl der Neutronen im Vergleich zur Anzahl der Protonen für stabile Kerne zeigt, dass die stabilen Isotope in ein schmales Band fallen. Dieser Bereich wird als Stabilitätsband bezeichnet (auch als Gürtel, Zone oder Tal der Stabilität bezeichnet). Die Gerade in Abbildung 1 stellt Kerne dar, die ein Verhältnis von Protonen zu Neutronen von 1:1 (n:p-Verhältnis) haben. Beachten Sie, dass die leichteren stabilen Kerne im Allgemeinen die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen haben. Zum Beispiel hat Stickstoff-14 sieben Protonen und sieben Neutronen. Schwerere stabile Kerne haben jedoch zunehmend mehr Neutronen als Protonen. Zum Beispiel: Das stabile Nuklid Eisen-56 hat 30 Neutronen und 26 Protonen, ein n:p-Verhältnis von 1,15, während das stabile Nuklid Blei-207 125 Neutronen und 82 Protonen hat, was einem n:p-Verhältnis von 1,52 entspricht. Dies liegt daran, dass größere Kerne mehr Proton-Proton-Abstoßungen aufweisen und eine größere Anzahl von Neutronen benötigen, um starke Kräfte zu erzeugen, die diese elektrostatischen Abstoßungen überwinden und den Kern zusammenhalten.

Abbildung 1. Band der Stabilität.

Die Kerne außerhalb des Stabilitätsbandes sind instabil und weisen Radioaktivität auf: Sie wandeln sich spontan um oder zerfallen in andere Kerne, die sich entweder im oder näher am Stabilitätsband befinden. Diese Kernzerfallsreaktionen wandeln ein instabiles Nuklid oder Radionuklid in ein anderes Nuklid um, das oft stabiler ist.

Über die Beziehung zwischen der Stabilität eines Kerns und seiner Struktur lassen sich mehrere Beobachtungen machen.

Kerne mit einer geraden Anzahl von Protonen, Neutronen oder beidem sind mit größerer Wahrscheinlichkeit stabil. Kerne mit einer bestimmten Anzahl von Nukleonen, die als magische Zahlen bezeichnet werden, sind stabil gegen nuklearen Zerfall. Diese Anzahl von Protonen oder Neutronen (2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126) bildet vollständige Schalen im Kern. Diese ähneln vom Konzept her den stabilen Elektronenschalen, die für die Edelgase beobachtet wurden. Kerne, die magische Zahlen sowohl von Protonen als auch von Neutronen haben, werden als “doppelt magisch” bezeichnet und sind besonders stabil.

Kerne mit Ordnungszahlen über 82 sind radioaktiv. Wismut-209, Ordnungszahl 83, galt lange Zeit als stabil und kann so behandelt werden, als wäre es nicht radioaktiv. Obwohl es radioaktiv ist, hat es unter den Radionukliden eine außergewöhnlich lange Halbwertszeit.

Die natürlich vorkommenden radioaktiven Isotope der schwersten Elemente zerfallen in Ketten sukzessiver Zersetzungen oder Zerfälle, und alle Spezies in einer Kette bilden eine radioaktive Familie oder radioaktive Zerfallsreihe. Drei dieser Reihen enthalten die meisten natürlich radioaktiven Elemente des Periodensystems. Es handelt sich um die Uran-Reihe, die Actiniden-Reihe und die Thorium-Reihe. Bei der Neptunium-Reihe handelt es sich um eine vierte Reihe, die auf der Erde wegen der kurzen Halbwertszeiten der beteiligten Arten nicht mehr von Bedeutung ist.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 21.1: Kernstruktur und Stabilität.