Stabilità nucleare

Un nucleo contiene la maggior parte della massa di un atomo ed è minuscolo, rispetto all'intero atomo. La densità nucleare media è nove trilioni di volte maggiore della densità dell'osmio:l'elemento più denso! La terra sarebbe 30.000 volte più piccola, se avesse la densità del nucleo.

Perché il nucleo ha una densità così alta? I nucleoni sono tenuti insieme dalla forte forza nucleare a corto raggio. L'equilibrio fra le repulsioni protone-protone e le attrazioni nucleone-nucleone determina la stabilità del nucleo.

Quando le repulsioni protone-protone superano le forze nucleari attrattive, il nucleo si disintegra. Tracciare i nuclidi in base al numero di protoni e neutroni illustra che i nuclei stabili occupano una regione centrale, indicata in blu, detta la cintura o valle di stabilità. I nuclidi più leggeri con rapporti neutroni-protoni pari a uno, come il carbonio-12, godono di una grande stabilità.

Quando il numero atomico aumenta oltre 20, sono necessari più neutroni per controbilanciare le repulsioni protone-protone. I neutroni sono attratti l'uno dall'altro dalle forze nucleari, mentre non ci sono interazioni repulsive fra di loro. Pertanto, un aumento del numero di neutroni rafforza in modo significativo la forza nucleare.

Tutti i nuclidi più pesanti stabili hanno rapporti neutroni-protoni maggiori di uno. I radionuclidi con rapporti neutroni-protoni più elevati subiscono tipicamente un decadimento beta-meno, che converte un neutrone in un protone. Pertanto, il rapporto fra neutroni e protoni diminuisce per produrre un nuclide-figlio che è più vicino alla cintura di stabilità.

I radionuclidi con rapporti neutroni-protoni più bassi emettono positoni o subiscono la cattura di elettroni per convertire i protoni in neutroni, e quindi avvicinarsi alla cintura di stabilità. È interessante che, proprio come le coppie di elettroni che risiedono negli orbitali, l'accoppiamento protone-protone e neutrone-neutrone si osservi nel nucleo. Quando il numero di protoni e neutroni è pari, i nuclei sono notevolmente stabili, poiché l'accoppiamento è possibile per tutti i nucleoni.

Solo cinque nuclidi con un numero dispari di neutroni e protoni sono stabili. I nuclei con un certo numero di protoni o neutroni sono più stabili del previsto, facendo sì che questi numeri siano detti numeri magici. I nuclei con numeri magici, sia di protoni che di neutroni, sono detti doppiamente magici.

Tutti i nuclei con numeri atomici superiori a 82 sono radioattivi. Tuttavia, il bismuto-209, numero atomico 83, ha un'emi-vita eccezionalmente lunga fra i radionuclidi. Per un radionuclide lontano dalla cintura di stabilità, la sua catena di decadimento è la serie di processi di decadimento mediante i quali alla fine raggiunge un nuclide stabile.