Stabilność jądrowa

Jądro zawiera większość masy atomu i jest maleńkie w porównaniu z całym atomem. Średnia gęstość jądrowa jest dziewięć bilionów razy większa niż gęstość osmu: najgęstszego pierwiastka!

Ziemia byłaby 30 000 razy mniejsza, gdyby miała gęstość jądra. Dlaczego jądro ma tak dużą gęstość?

Nukleony są utrzymywane razem przez silne oddziaływanie jądrowe bliskiego zasięgu. Równowaga między odpychaniem proton-proton a przyciąganiem nukleon-nukleon decyduje o stabilności jądra. Kiedy odpychanie proton-proton przeważa nad przyciągającymi siłami jądrowymi, jądro rozpada się.

Wykreślenie nuklidów przez liczbę protonów i neutronów pokazuje, że stabilne jądra zajmują centralny obszar, zaznaczony na niebiesko, który nazywa się pasem lub doliną stabilności.

Lżejsze nuklidy o stosunku neutronów do protonów równym jeden, takie jak węgiel-12, cieszą się dużą stabilnością. Gdy liczba atomowa wzrasta powyżej 20, potrzeba więcej neutronów, aby zrównoważyć odpychanie proton-proton.

Neutrony są przyciągane do siebie nawzajem przez siły jądrowe, podczas gdy nie ma między nimi oddziaływań odpychających. W ten sposób wzrost liczby neutronów znacznie wzmacnia oddziaływanie jądrowe. Wszystkie stabilne, cięższe nuklidy mają stosunek neutronów do protonów większy niż jeden.

Radionuklidy o wyższym stosunku neutronów do protonów zazwyczaj ulegają rozpadowi beta-minus, który przekształca neutron w proton. W ten sposób stosunek neutronów do protonów zmniejsza się, aby uzyskać nuklid potomny, który jest bliższy pasowi stabilności na wykresie.

Radionuklidy o niższym stosunku neutronów do protonów emitują pozytony lub ulegają wychwytywaniu elektronów w celu przekształcenia protonów w neutrony, a tym samym zbliżają się do pasa stabilności.

Co ciekawe, podobnie jak pary elektronów znajdujące się na orbitalach, w jądrze obserwuje się parowanie proton-proton i neutron-neutron. Gdy liczba protonów i neutronów jest parzysta, jądra są niezwykle stabilne, ponieważ parowanie jest możliwe dla wszystkich nukleonów. Tylko pięć nuklidów o nieparzystej liczbie neutronów i protonów jest stabilnych.

Jądra z określoną liczbą protonów lub neutronów są bardziej stabilne niż oczekiwano, co prowadzi do tego, że liczby te nazywa się liczbami magicznymi. Jądra o magicznej liczbie zarówno protonów, jak i neutronów nazywane są podwójnie magicznymi.

Wszystkie jądra o liczbie atomowej większej niż 82 są radioaktywne. Jednak bizmut-209, liczba atomowa 83, ma wyjątkowo długi okres półtrwania wśród radionuklidów.

W przypadku radionuklidu znajdującego się daleko od pasa stabilności, jego łańcuch rozpadu jest serią procesów rozpadu, w wyniku których ostatecznie osiąga stabilny nuklid.