Nucleaire stabiliteit

Een kern bevat het grootste deel van de atoommassa en is klein vergeleken met het hele atoom. De gemiddelde nucleaire dichtheid is negen biljoen keer groter dan de dichtheid van osmium:het dichtste element! De aarde zou 30.000 keer kleiner zijn als ze de dichtheid van de kern had.

Waarom heeft de kern zo'n hoge dichtheid? De nucleonen worden bij elkaar gehouden door de sterke nabije kernkracht. Het evenwicht tussen de proton-proton-afstotingen en de nucleon-nucleon-attracties bepaalt de stabiliteit van de kern.

Wanneer de proton-protonafstotingen zwaarder wegen dan de aantrekkelijke nucleaire krachten, valt de kern uiteen. Het uitzetten van nucliden door het aantal protonen en neutronen illustreert dat de stabiele kernen een centraal gebied bezetten, aangegeven in blauw, dat de gordel of vallei van stabiliteit wordt genoemd. Lichtere nucliden met neutronen-protonverhoudingen van één, zoals koolstof-12, genieten een grote stabiliteit.

Naarmate het atoomnummer boven de 20 stijgt, zijn er meer neutronen nodig om de proton-proton-afstoting tegen te gaan. Neutronen worden door nucleaire krachten tot elkaar aangetrokken, terwijl er geen afstotende interacties tussen zijn. Een toename van het aantal neutronen versterkt dus de kernkracht aanzienlijk.

Alle stabiele zwaardere nucliden hebben neutronen-protonverhoudingen groter dan één. Radionucliden met hogere neutronen-tot-proton-verhoudingen ondergaan typisch bèta min verval, dat een neutron in een proton omzet. De neutron-protonverhouding neemt dus af om een dochternuclide op te leveren die dichter bij de stabiliteitsgordel op de kaart ligt.

Radionucliden met lagere neutronen-protonverhoudingen zenden positronen uit of ondergaan elektronenvangst om protonen om te zetten in neutronen en daardoor dichter bij de stabiliteitsgordel te komen. Interessant is dat, net als elektronenparen die in de orbitalen verblijven, proton proton en neutron neutronenparing wordt waargenomen in de kern. Als het aantal protonen en neutronen beide even is, zijn de kernen opmerkelijk stabiel, aangezien paring voor alle nucleonen mogelijk is.

Slechts vijf nucliden met een oneven aantal neutronen en protonen zijn stabiel. Kernen met een bepaald aantal protonen of neutronen zijn stabieler dan verwacht, waardoor deze getallen magische getallen worden genoemd. Kernen met magische getallen van zowel protonen als neutronen worden dubbel magisch genoemd.

Alle kernen met atoomnummers hoger dan 82 zijn radioactief. Bismut-209, atoomnummer 83, heeft echter een uitzonderlijk lange halfwaardetijd onder radionucliden. Voor een radionuclide ver van de stabiliteitsgordel, is de vervalketen de reeks vervalprocessen waardoor het uiteindelijk een stabiel nuclide bereikt.